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Diese Erfindung betrifft eine Batterie, die mindestens zwei
durch eine Wand getrennte Zellenelemente einschließt, die
eine Vielzahl positiver Platten und negativer Platten
abwechselnd angeordnet haben.
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Mehr im besonderen betrifft die Erfindung ein neues Gitter,
Schiene, Schienenverbindungseinrichtungen und geschweißte
Zellenverbindungseinrichtungen für Batterien einschließlich
Bleiakkumulatoren und geschlossener Bleiakkumulatoren.
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Eine Batterie der oben angeführten Type ist aus US-A-
1,874,404 bekannt, das eine Batterie offenbart, in der die
negativen Platten an ihrer Außenkante durch mindestens eine
Bleischiene verbunden sind. Mehr im besonderen offenbart
dieses Dokument einen Mehrzellen-Bleiakkumulator, in dem
jede der in einem Stapel angeordneten Elektrodenplatten zwei
Fahnen aufweist, wobei jede Reihe von Fahnen gleicher
Polarität elektrisch durch Schienensätze verbunden sind, die
ihrerseits mit Polköpfen verbunden sind.
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Weiters offenbart FR-A-2,267,643 eine ähnliche
Stapelanordnung, wobei Reihen von Elektrodenplattenfahnen gleicher
Polarität durch Schienensätze mit
Schienenverbindungseinrichtungen verbunden sind, die geschweißte
Zellenverbindungseinrichtungen vorsehen.
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Weiters werden Beispiele für
Plattenfahnen/Schienen/Zellenverbinder-Kombinationen in US-A-4, 780,379 und FR-A-2, 576,150
geoffenbart.
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Im allgemeinen sind ortsfeste Batterien speziell für
Notstromanwendungen,
d.h. als Reserveenergie für den Fall eines
Stromausfalls ausgelegt. Ortsfeste Batterien werden
typischerweise in voll aufgeladenem Zustand und betriebsbereit
gehalten durch Pufferung bei einer konstanten festgesetzten
Spannung. Ortsfeste Batterien werden als Reserve- oder
Betriebsenergiequelle im Kommunikationsbereich, in
Versorgungseinrichtungen, für Notbeleuchtung in Geschäftsgebäuden und
als unterbrechungsfreie Energieversorgung verwendet.
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Unterbrechungsfreie Energieversorgungseinrichtungen sind
Systeme, die Sicherung von Computern und
Kommunikationsnetzen durchführen. Geschlossene Bleiakkumulatoren können
die Energiequelle umfassen. Die unterbrechungsfreie
Energieversorgung ermöglicht das ordnungsgemäße Abschalten von
Computern, wenn es zu einer plötzlichen Unterbrechung bei
der primären Stromquelle kommt, wie bei einem Stromausfall,
und sieht Sicherheitsenergie für Kommunikationsnetze vor.
Die unterbrechungsfreie Energieversorgung gleicht auch kurze
oder intermittierende Energieverluste aus. Wenn es zu einer
Stromunterbrechung kommt, können die Batterien in dem
unterbrechungsfreien Energieversorgungssystem schnell entladen
werden.
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Im Laufe der Jahre ist es zu einem gewissen Grad der
Standardisierung bei unterbrechungsfreien
Energieversorgungssystemen gekommen. Folglich müssen Batterien für solche
unterbrechungsfreien Energieversorgungssysteme oft gewissen
Anforderungen bezüglich der physischen Größe genügen, damit sie in
standardisierte Unterbringungsräume passen, und sie müssen
eine vorgeschriebene Mindestkapazität haben, um
vorgeschriebene Minimalenergieerfordernisse zu erfüllen oder zu
überschreiten.
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Oft sind die Batterien für unterbrechungsfreie
Energieversorgungssysteme geschlossene Bleiakkumulatoren mit
prismatischer
Konfiguration. Eine der häufigsten prismatischen
Konfigurationen besteht aus abwechselnden flachen negativen und
positiven Platten, die durch eine oder mehrere
Separatorlagen beabstandet sind. Typischerweise wird Elektrolyt in den
Separatoren absorbiert. Die prismatische Ausführung hat
viele Vorteile, darunter die Anpassungsfähigkeit an komplexe
Plattengestaltung, zufriedenstellende Nutzung des
Batterieinnenraums, leichte Herstellung, Flexibilität bei der Wahl der
Gehäusematerialien und genaue Steuerung des Plattenabstands.
Der Hauptnachteil der prismatischen Ausführung ist die
geringere Nutzung des Zellenvolumens durch elektrodenaktives
Material im Vergleich zu anderen Ausführungen, die in hohem
Maß auf der Tatsache beruht, daß Platten einen Kopfraum für
Gitterfahnen, Polkopf, Pol, geschweißten Zellenverbinder und
möglicherweise ein Entlüftungssystem brauchen. Der Kopfraum
zwischen der Oberseite der Platten und der Unterseite der
Zellenabdeckung ist chemisch und somit elektrisch
unproduktiv, weil kein elektrodenaktives Material in dem Kopfraum
vorliegt. Die Verwendung der größtmöglichen Platten würde
oft vorgezogen, um das aktive Material in einer Batterie
einer vorbestimmten Größe zu erhöhen und damit die
Raumnutzung des Zellenvolumens zu erhöhen. Die Verwendung großer
Platten an sich hat jedoch auch ihre Nachteile aufgrund
zusätzlicher Widerstandsverluste. Größere Platten erhöhen
die elektrischen Widerstandsverluste, weil der Strompfad vom
unteren Teil der Platte zum Oberteil des Pols vergrößert ist
und daher das Schnellentladevermögen vermindert ist.
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Wenn ein Bleiakkumulator zur Entladung gebracht wird, fällt
die Spannung der Batterie anfangs größtenteils aufgrund des
Innenwiderstands der Batterie abrupt ab. Wenn die Entladung
fortschreitet, wird die Geschwindigkeit, mit der die
Spannung absinkt, aufgrund der Tatsache, daß die reaktiven
Materialien, d.h. Schwefelsäure und aktives Material, reagieren,
langsamer. Gegen Ende der Entladung fällt die Spannung
abrupter
ab, weil die Schwefelsäure und/oder das aktive Material
der Platten erschöpft werden, so daß sie die
Entladungsgeschwindigkeit nicht länger halten können. Wenn die
Batterie (oder Zelle) einer Schnellentladung unterworfen wird,
beispielsweise wenn große Ströme im Falle eines
Stromausfalls erforderlich sind und die unterbrechungsfreie
Energieversorgung eingesetzt wird, um den Energiebedarf zu decken,
ist der Widerstand der Batterie einschließlich der
Zellenverbinder für die Gesamtleistung der Batterie wichtig. Nach dem
Ohmschen Gesetz schließt der Gesamtspannungsabfall bei
Entladung den Spannungsabfall über den Polen der Vorrichtung, die
mit Energie versorgt werden soll, und den Innenwiderstand
der Batterie ein. Der Leistungsverlust der Zelle steigt mit
dem Quadrat des Stroms Der Innenwiderstand wird beim
Erwärmen der Zellen und der Batterie aufgewendet und ist
verloren. Insbesondere bei hohen Entladungsgeschwindigkeiten ist
dann der Wirkungsgrad der Batterie vermindert, und die
nützliche Energie, die die Batterie liefern kann, ist begrenzt.
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Es wäre daher wünschenswert, eine Batterie vorzusehen, die
bei einer vorbestimmten Größe erhöhte Kapazität aufweist. Es
wäre auch wünschenswert, daß der Innenwiderstand der
Batterie vermindert ist.
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Folglich ist ein Hauptziel dieser Erfindung, einen
Bleiakkumulator vorzusehen, der sich für jede Anwendung eignet, bei
der eine hohe Entladegeschwindigkeit gegeben ist. Es ist ein
spezielles Ziel der Erfindung, einen Bleiakkumulator
vorzusehen, der sich für die Verwendung in unterbrechungsfreien
Energieversorgungsanwendungen eignet.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, einen Bleiakkumulator
vorzusehen, in dem die elektrische Speicherkapazität der Batterie
für eine Batterie mit vorbestimmter physischer Größe erhöht
ist.
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Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, einen
Bleiakkumulator vorzusehen, in dem die Innenraumnutzung der
Zelle effizienter ist. Ein damit verbundenes Ziel ist es,
einen Bleiakkumulator vorzusehen, in dem größere Platten
verwendet werden können, um die Innenraumnutzung bei einer
Batterie vorbestimmter physischer Größe zu erhöhen.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, einen Bleiakkumulator
vorzusehen, in dem der Kopfraum in der Batterie bei einer
Batterie mit vorbestimmter physischer Größe reduziert ist.
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Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen
Bleiakkumulator vorzusehen, bei dem die abgegebene Leistung
verbessert ist. Ein weiteres Ziel ist es, einen Bleiakkumulator
vorzusehen, in dem der Gesamtinnenwiderstand der Batterie
reduziert ist. Ein spezifischeres Ziel der Erfindung ist es,
eine Batterie vorzusehen, in der der Schienenwiderstand und
der Plattenwiderstand der Batterie reduziert sind.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Energie aus der
Batterie zu verbessern, indem der anfängliche
Spannungsverlust der Batterie, wenn sie belastet wird, reduziert ist.
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Ein spezifischeres Ziel dieser Erfindung ist es, einen
geschlossenen Bleiakkumulator vorzusehen, der für die
Verwendung in jeder Anwendung geeignet ist, bei der eine hohe
Entladungsgeschwindigkeit gegeben ist, wobei die elektrische
Speicherkapazität erhöht und die abgegebene Leistung
verbessert ist. Es ist ein damit verbundenes Ziel, eine solche
Batterie vorzusehen, die niedrigeren Gesamtinnenwiderstand
aufweist.
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Diese Ziele werden mittels einer Batterie der Type erreicht,
wie sie am Beginn angeführt und gemäß der vorliegenden
Erfindung
dadurch gekennzeichnet ist, daß jede der positiven
Platten mindestens zwei Fahnen aufweist und jede der
negativen Platten mindestens zwei Fahnen aufweist, daß die Fahnen
der positiven Platten und die Fahnen der negativen Platten
jeweils elektrisch durch positivesammelschienen und
negative Sammelschienen zu einem Satz von Platten gleicher
Polarität elektrisch gekoppelt sind, daß die positiven
Sammelschienen und die negativen Sammelschienen durch
Schienenverbindungseinrichtungen elektrisch zusammengeschlossen und durch
Überbrückungseinrichtungen verbunden sind, daß die
Sammelschienen, geschweißten Zellenverbindungseinrichtungen und
Überbrückungseinrichtungen gleicher Polarität als integrale
Komponenten auf ihre jeweiligen Plattenfahnen gegossen sind
und daß die geschweißte Zellenverbindungseinrichtung jedes
Zellenelements mit der geschweißten
Zellenverbindungseinrichtung eines benachbarten Zellenelements durch die Wand
hindurch elektrisch verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung bietet also eine galvanische Zelle
und eine elektrische Mehrzellen-Speicherbatterie, die eine
neue Konfiguration von Platten, Schienen und
Schienenverbindungseinrichtungen und geschweißten
Zellenverbindungseinrichtungen vorsieht. Das Zellenelement umfaßt einen
Stapel Platten positiver und negativer Polarität, die
abwechselnd angeordnet und jeweils durch einen geeigneten
Separator getrennt sind. Die positiven und negativen Platten
weisen jede mindestens zwei Fahnen auf und haben aktives
Material auf dem Gitter pastiert. Eine der Fahnen kann sich
gemäß der herkömmlichen Praxis auf der Platte befinden, und
die andere(n) Fahne(n) kann (können) sich auf der Platte und
von der ersten Fahne beabstandet befinden. Die
Zellenelemente schließen Schienensätze für das elektrische Koppeln der
Sätze von Fahnen jeweils der positiven und negativen Platten
ein. Eine Schiene des Schienensatzes koppelt elektrisch eine
der Fahnen auf den positiven Platten und eine andere Schiene
des Schienensatzes koppelt elektrisch eine andere der Fahnen
der positiven Platten, um einen Satz von positiven Platten
gleicher Polarität vorzusehen. Ähnlich koppelt eine Schiene
des Schienensatzes elektrisch eine der Fahnen der negativen
Platten, und eine andere Schiene des Schienensatzes koppelt
elektrisch eine andere der Fahnen auf den negativen Platten,
um einen Satz von negativen Platten gleicher Polarität
vorzusehen. Wo die positiven und negativen Platten jeweils zwei
Fahnen einschließen, schließt das Zellenelement einen
Schienensatz ein, der ein Paar Schienen für jede Plattentype
umfaßt, eine Schiene des Satzes für die elektrische Kopplung
jeweils eines Satzes von Plattenfahnen.
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Übereinstimmend mit dieser Erfindung schließt das
Zellenelement weiters Schienenverbindungseinrichtungen ein, die
den jeweiligen positiven und negativen Schienensätzen für
die elektrische Kopplung der Schienensätze von Plattensätzen
gleicher Polarität gemeinsam sind. Die
Schienenverbindungseinrichtung sieht auch Mittel vor, die geschweißte
Zellenverbindung zwischen benachbarten Zellenelementen herzustellen,
um dadurch mehrere Zellen elektrisch zu verbinden, um eine
Batterie zu bilden. Da die Schienenverbindungseinrichtung
auch Mittel vorsieht, Zellenverbindungen herzustellen und
dadurch die geschweißte Zellenverbindung erleichtert,
verbindet die Schienenverbindungseinrichtung der positiven Platten
zweckmäßigerweise die Schienenpaare der positiven Platten
elektrisch an einem Ende des Zellenelements, und die
Schienenverbindungseinrichtung für die negativen Platten
verbindet zweckmäßigerweise die Schienenpaare der negativen
Platten elektrisch am entgegengesetzten Ende des
Zellenelements. Die geschweißte Zellenverbindung kann über die
Schienenverbindungseinrichtungen erfolgen, und sie kann über oder
durch eine Trennwand hindurch im Batteriebehälter erfolgen,
oder die Trennwand kann mit Kerben versehen sein, eine
Öffnung aufweisen oder dergleichen, durch die die geschweißte
Zellenverbindung gemacht werden kann. Einsatz der
Schienenverbindungseinrichtungen am Ende des Zellenelements erlaubt,
daß die Zellen elektrisch in Serie, parallel oder in einer
Kombination von Serie und parallel geschaltet werden.
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Die erfindungsgemäße neue Anordnung von Fahne, Schiene und
Schienenverbindungseinrichtung sowie geschweißter
Zellenverbindung senkt den Innenwiderstand der Batterie, verbessert
den anfänglichen Spannungsverlust der Batterie, wenn die
Batterie der Entladung unterworfen wird, insbesondere bei
Entladung mit hoher Geschwindigkeit, und sie verbessert die
Energiedichte der Batterie bei einer Batterie mit
vorbestimmter physischer Größe.
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Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und
Zeichnungen offensichtlich, wobei Fig. 1 eine perspektivische
Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterie ist, die teilweise
aufgeschnitten ist, um das Innere zu zeigen; Fig. 2 eine
Schnittansicht der Fahnen- und Polanordnung der Batterie
entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 ist; Fig. 3 eine
Seitenschnittansicht der Platten und geschweißten Zellenverbindung
der Zellen der Batterie entlang der Linie 3-3 der Fig. 2
ist; Fig. 4 eine Querschnittsansicht der geschweißten
Zellenverbindung entlang der Linie 4-4 der Fig. 2 ist.
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Während die vorliegende Erfindung verschiedene
Modifizierungen und alternative Formen zuläpt, sind in den Zeichnungen
die bevorzugten Ausführungsformen illustriert, und sie
werden im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die
Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen
eingeschränkt werden soll. Ganz im Gegenteil, es ist
beabsichtigt, alle Modifizierungen und alternativen Formen, die
innerhalb der Erfindung liegen, wie sie in den angehängten
Ansprüchen ausgedrückt ist, umfaßt sein sollen. Die
Erfindung
ist beispielsweise gleichermaßen anwendbar auf
geschlossene Bleiakkumulatoren, wartungsfreie Bleiakkumulatoren und
"flooded" Bleiakkumulatoren, unabhängig von der
beabsichtigten Anwendung.
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Allgemein richtet sich diese Erfindung auf eine neue
Anordnung von Gitter, Schiene und Schienenverbindungseinrichtung
und geschweißter Zellenverbindung, um eine Batterie
vorzusehen, die größere Kapazität bei einer vorbestimmten
physischen Größe und reduzierten Innenwiderstand hat. Gemäß
diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Batterie
mehrere Zellenelemente. Jedes Zellenelement umfaßt einen
Stapel von abwechselnd angeordneten Platten positiver und
negativer Polarität, die durch einen geeigneten Separator
getrennt sind. Jede der positiven und negativen Platten in
dem Zellenelement umfaßt ein Gitter, das mindestens zwei
Fahnen einschließt. Eine der Fahnen befindet sich
vorzugsweise auf herkömmliche Art auf dem Gitter. In Übereinstimmung
mit diesem Aspekt der Erfindung schließen die Gitter
mindestens eine zusätzliche, zweite Fahne ein, die zur ersten
Fahne benachbart, aber davon beabstandet ist. Jede der
Fahnen auf den jeweiligen positiven und negativen Gittern ist
innerhalb des Zellenelements elektrisch durch eine der
Schienen des Schienensatzes für die Platten der jeweiligen
Polarität gekoppelt. Die Schienensätze verbinden also elektrisch
die Platten zu Sätzen gleicher Polarität. Eine
Schienenverbindungseinrichtung, eine für jeweils die positiven Platten
und die negativen Platten eines Zellenelements, verbindet
die Schienensätze der Plattensätze gleicher Polarität
elektrisch. Die Schienenverbindungseinrichtung bietet auch
Mittel, die geschweißte Zellenverbindung zwischen
Zellenelementen herzustellen, wodurch mehrere Zellen elektrisch
verbunden werden können.
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In einer erfindungsgemäßen Batterie ist der Innenwiderstand
der Batterie reduziert. Das Hinzufügen von mindestens einer
weiteren Fahne zur Platte reduziert den Widerstand in der
Platte, weil der Strompfad innerhalb der Platten zu den
Fahnen reduziert ist. Der Innenwiderstand der Batterie ist
auch reduziert, weil der Querschnitt des Pfads, durch den
Strom von der Platte entnommen wird, erhöht ist. Zu diesem
Zweck geht Strom durch die Fahnen auf den Platten und dann
zu den Schienen zu den Schienenverbindungseinrichtungen.
Strom geht also von der Zelle durch die Schienen zu den
Schienenverbindungseinrichtungen. Wegen der zusätzlichen
Fahnen und der zusätzlichen Schienen ist der Strompfad von
den Schienen zu und durch die
Schienenverbindungseinrichtungen erhöht und somit der Widerstand reduziert. Der
elektrische Widerstand der Schienenverbindungseinrichtungen und der
resultierenden geschweißten Zellenverbindung, wenn sie
gemacht wird, reduziert den elektrischen Widerstand vom
Zentrum der Fahne zum Zentrum der
Schienenverbindungseinrichtung und daher zum Pol substantiell. Die Reduktion des
Innenwiderstandes der Batterie führt zu einem geringeren
Spannungsabfall, wenn die Batterie entladen wird. Daher ist der
Wirkungsgrad der Batterie verbessert. Die Energieleistung
ist daher bei einer erfindungsgemäßen Batterie höher als bei
einer vergleichbaren Batterie ohne die erfindungsgemäße neue
Anordnung von Platte, Schiene und
Schienenverbindungseinrichtung und geschweißter Zellenverbindung.
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Nun zu Fig. 1: Es wird eine erfindungsgemäße Batterie 10
illustriert. Die Batterie schließt einen Behälter 12 ein.
Der Behälter 12 schließt vorzugsweise Rippen an den Seiten
ein, um den Wärmehaushalt der Batterie zu unterstützen. Wie
man in der Fig. 3 am besten sieht, beherbergt der Behälter
12 eine Vielzahl von Zellenelementen 14, die jeweils
innerhalb des Behälters durch eine Trennwand 16 getrennt sind.
Jedes Zellenelement 14 schließt eine Vielzahl positiver
Platten 18 und eine Vielzahl negativer Platten 20 ein, die
abwechselnd angeordnet und jeweils durch einen Separator 22
getrennt und in einem Stapel angeordnet sind. In der
illustrierten Ausführungsform der Erfindung, wie beispielsweise
in der Fig. 3 gezeigt, übersteigt in jedem Zellenelement 14
die Zahl der negativen Platten 20 die Zahl der positiven
Platten 18 um eins, so daß das Zellenelement eine negative
Platte an jedem Ende des Plattenstapels aufweist. Man wird
jedoch erkennen, daß die Zahl der positiven Platten und die
Zahl der negativen Platten gleich sein kann oder daß die
Zahl der positiven Platten die Zahl der negativen Platten um
eins übersteigen kann, so daß eine positive Platte an jedem
Ende des Zellenelements ist.
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Gemäß dieser Erfindung schließt, wie in der Fig. 2
illustriert, jede positive Platte 18 und jede negative Platte 20
mindestens zwei, vorzugsweise ein Paar von Fahnen 24, 26
bzw. 28, 30 ein. Wenn man sich nun zuerst den positiven
Platten 18 in der illustrierten Ausführungsform der
Erfindung, die in der Fig. 2 gezeigt wird, zuwendet, schließt
jede positive Platte 18 eine innen liegende Fahne 26 und
eine außen liegende Fahne 24, die der innen liegenden Fahne
26 benachbart, aber von ihr beabstandet ist, ein.
Vorzugsweise befindet sich die innen liegende Fahne 26 auf der Platte
an derselben Stelle wie auf einer herkömmlichen Platte, d.h.
das Zentrum der innen liegenden Platte 26 befindet sich etwa
ein bis etwa ein und ein Viertel Zoll von der Mittellinie
der Platte entfernt. Die außen liegende Fahne 24 ist auf die
äußere Seitenkante 32 der positiven Platte 18 zu und außen
von der innen liegenden Fahne 26 angebracht. Die genaue
Position der außen liegenden Fahnen 24 und der innen
liegenden Fahnen 26 kann je nach Art der Ausführung variiert
werden, ohne daß man von der Erfindung abweicht.
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Jede der Fahnen 24, 26 in dem Zellenelement 14 ist
elektrisch durch eine Schiene des Schienensatzes, der Platten
gleicher Polarität verbindet, verbunden. Die außen liegende
Schiene 34 verbindet daher elektrisch jede der außen
liegenden Fahnen 24 der Vielzahl positiver Platten 18 in dem
Zellenelement 14, und eine zweite, innen liegende Schiene 36
verbindet elektrisch jede der innen liegenden Fahnen 26 der
positiven Platten 18 in dem Zellenelement 14. Die positiven
Platten, die Fahnen 24, 26 und die Schienen 34 und 36
bestehen typischerweise aus Blei oder einer Bleilegierung. Die
elektrische Verbindung der Schienen mit den Fahnen kann
durch Schweißen oder Gießen der jeweiligen Schienen auf die
entsprechenden Fahnen der Platten erfolgen, um einen Satz
von Platten gleicher Polarität zu erhalten.
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Wie man anhand der Fig. 1 und 3 sehen kann, sind die
Schienen 34 und 36 in Übereinstimmung mit dieser Erfindung
elektrisch durch Schienenverbindungseinrichtungen 38 verbunden.
Es wird vorgezogen, daß die Schienenverbindungseinrichtungen
38 die Schienen 34 und 36 an einem Ende des Zellenelements
verbinden, wie beispielsweise an der Trennwand 16, so daß
die Schienenverbindungseinrichtung 38 auch Mittel zur
Ausbildung der geschweißten Zellenverbindung vorsehen kann. Die
Schienenverbindungseinrichtung 38 kann jede gewünschte
Gestalt oder Ausführung haben, die mit ihrer elektrischen
Verbindung mit den Schienen und der Verbindung der Schienen
konsistent ist. Die Schienenverbindungseinrichtung 38
besteht vorzugsweise aus Blei oder einer Bleilegierung.
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Die elektrische Verbindung der
Schienenverbindungseinrichtung 38 mit den Schienen 34, 36 kann durch Schweißen oder
durch Gießen der Schienenverbindungseinrichtung 38 auf die
Schienen erfolgen. Alternativ dazu können die
Schienenverbindungseinrichtung 38 und die Schienen 34 und 36 als integrale
Komponente ausgebildet sein, beispielsweise durch Gießen.
Die integrale Komponente, die die gegossenen Schienen und
Schienenverbindungseinrichtungen umfaßt, kann dann
elektrisch
durch Verschmelzen der Schienen mit den Fahnen,
beispielsweise durch Schweißen, mit den Fahnen verbunden
werden. In einer anderen Alternative können die Schienen und
die Schienenverbindungseinrichtungen auf die Fahnen gegossen
sein.
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Die Art, in der die Schienenverbindungseinrichtung 38 mit
den Schienen 34, 36 elektrisch verbunden wird, kann auf
vielfältige Art variiert werden. Wie beispielsweise in der
bevorzugten Ausführungsform in den Fig. 1, 2 und 4 gezeigt
wird, wird die Schienenverbindungseinrichtung 38 mit den
Schienen 34, 36 elektrisch verbunden oder als integrale
Komponente mit den Schienen 34, 36 ausgebildet, so daß die
Unterseite 38a der Schienenverbindungseinrichtung 38 und die
Unterseiten 34a, 36a der Schienen 34, 36 in einer Linie
sind, d.h. in derselben Ebene liegen. Die Verbindung der
Schienenverbindungseinrichtung 38 mit den Schienen 34, 36
derart, daß die Unterseite der
Schienenverbindungseinrichtung 38 in derselben Ebene wie die Unterseiten 34a, 36a der
Schienen 34, 36 liegt, ermöglicht die Minimierung der Höhe
der geschweißten Zellenverbindung. Eine Minimierung der Höhe
der geschweißten Zellenverbindung reduziert den Kopfraum,
der andernfalls zwischen der Oberseite der Platten und der
Unterseite der Batterieabdeckung erforderlich wäre. Folglich
können größere Platten verwendet werden, und eine größere
Menge aktiven Materials kann in das Zellenelement
eingebracht werden, so daß der unproduktive Kopfraum der Batterie
reduziert werden kann. Für einen Behälter einer
vorbestimmten Größe kann die Kapazität der Batterie durch Verwendung
größerer Platten erhöht werden. Man wird erkennen, daß die
Schienenverbindungseinrichtung 38 mit den Schienen 34, 36
verbunden oder als integrale Komponente mit den Schienen
ausgebildet werden kann, so daß die Unterseite 38a der
Schienenverbindungseinrichtung 38 in derselben Ebene wie die
Oberseite der Schienen 34, 36 liegt. Wenngleich diese
Anordnung
einige Vorteile der vorliegenden Erfindung erzielen
kann, d.h. reduzierten Innenwiderstand, wird sie den
Kopfraum einer Batterie vorbestimmter Größe nicht minimieren. Es
sollte auch beachtet werden, daß die
Schienenverbindungseinrichtung 38 mit den Schienen 34, 36 an jedem Punkt zwischen
den Unterseiten und den Oberseiten der Schienen verbunden
werden kann. Es wird jedoch wegen der angeführten Gründe
vorgezogen, daß die Schienenverbindungseinrichtung so mit
den Schienen verbunden wird, daß die Unterseite der
Schienenverbindungseinrichtung und die Unterseiten der Schienen in
derselben Ebene liegen.
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Nun zu Fig. 2: Auf gleiche Art wie die positiven Platten
schließen auch die negativen Platten 20 jede ein Paar Fahnen
28, 30 ein. Die Fahnen der negativen Platten können sich auf
den negativen Platten spiegelbildlich zur Position der
Fahnen auf den positiven Platten befinden, wenngleich die
präzise Position der Fahnen der negativen Platten eine Frage der
gewählten Ausführung ist. Jede der Fahnen 28, 30 in dem
Zellenelement ist elektrisch durch eine Schiene des
Schienensatzes verbunden, der Platten gleicher Polarität verbindet.
Wie in der Fig. 1 gezeigt wird, sind die außen liegenden
Fahnen 28 der negativen Platten in dem Zellenelement
elektrisch durch die außen liegende Schiene 40 verbunden, und
die innen liegenden Fahnen der negativen Platten sind
elektrisch durch die innen liegende Schiene 42 verbunden. Ebenso
wie bei den positiven Platten, bestehen die negativen
Platten, die Fahnen 28, 30 und die Schienen 40, 42
typischerweise aus Blei oder einer Bleilegierung. Die elektrische
Verbindung der Schienen mit den Fahnen kann durch Schweißen oder
Gießen der jeweiligen Schienen auf die jeweiligen Fahnen der
negativen Platten erfolgen, um einen Plattensatz gleicher
Polarität zu erhalten.
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Wie in den Fig. 1 und 4 illustriert, wird die
Schienenverbindungseinrichtung
44 elektrisch mit den Schienen 40, 42
verbunden. Wie bei dem Satz von positiven Platten wird die
Schienenverbindungseinrichtung 44 vorzugsweise elektrisch
mit den Schienen 40, 42 an einem Ende des Zellenelements
verbunden, wie beispielsweise an der Trennwand 16
(aufgeschnitten gezeigt), so daß die
Schienenverbindungseinrichtung 44 auch Mittel zur Ausbildung der geschweißten
Zellenverbindung vorsehen kann. Die Schienenverbindungseinrichtung
44 kann, wie die Schienenverbindungseinrichtung 38, jede
Gestalt oder Ausführung haben, die mit ihrer elektrischen
Kopplung an die Schienen und der Verbindung der Schienen
konsistent ist. Ebenso besteht die
Schienenverbindungseinrichtung 44 vorzugsweise aus Blei oder einer Bleilegierung.
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Wie im Falle der Schienenverbindungseinrichtung 38 kann die
Schienenverbindungseinrichtung 44 als integrale Komponente
mit den Schienen 40 und 42 ausgebildet sein. Die integrale
Komponente kann dann elektrisch mit den Fahnen durch die
Schienen durch Schweißen oder Gießen der Konfiguration auf
die Fahnen verbunden werden. Alternativ dazu können die
Schiene und die Schienenverbindungseinrichtung auf die
Fahnen gegossen sein.
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Wenn die Schienenverbindungseinrichtung und die Schienen als
integrale Komponente gegossen sind, kann die integrale
Komponente auch Überbrückungseinrichtungen 36d, 42d (wie in der
Fig. 1 gezeigt) einschließen. Die Überbrückungseinrichtungen
36d, 42d resultieren aus der Konfiguration des
Formhohlraums, der einen Strömungsweg für geschmolzenes Metall von
einer Seite der Form zur anderen in ausreichend kurzer Zeit
einschließt, um zu verhindern, daß das geschmolzene flüssige
Metall erstarrt. Die Überbrückungseinrichtungen 36d, 42d
können die Festigkeit und Integrität der integralen
Komponente verbessern, aber die Überbrückungseinrichtungen 36d, 42d
sind keine essentiellen Teile des Stromsammelvermögens der
integralen Komponente.
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Wie bei der Schienenverbindungseinrichtung 38 und den
Schienen 34, 36 ist die Art, in der die
Schienenverbindungseinrichtung 44 mit den Schienen 40, 42 elektrisch verbunden
ist, für viele Variationen empfänglich In der bevorzugten
Ausführungsform, wie in Fig. 4 gezeigt, ist die
Schienenverbindungseinrichtung 44 vorzugsweise so mit den Schienen
verbunden oder als integrale Komponente mit den Schienen
ausgebildet, daß die Unterseite 44a der
Schienenverbindungseinrichtung 44 und die Unterseiten 40a, 42a der Schienen 40,
42 wie gezeigt in derselben Ebene liegen, um den Kopfraum zu
minimieren, der für den oberen Teil 44b der
Schienenverbindungseinrichtung 44, der das Mittel der Zellenverbindung
bildet, erforderlich ist.
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Wie in der Fig. 4 illustriert, erfolgt die Zellenverbindung,
wenn benachbarte Zellen in Serie verbunden werden, durch die
Schienenverbindungseinrichtung 38 des Satzes positiver
Platten eines Zellenelements und der
Schienenverbindungseinrichtung 44 des Satzes negativer Platten des benachbarten
Zellenelements. In der illustrierten Ausführungsform, die in
Fig. 4 gezeigt wird, wurden die
Schienenverbindungseinrichtungen 38 und 44 durch die Trennwand 16 hindurch
verschmolzen.
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Die Zellenelemente, die die Pole der Batterie einschließen,
können auch die neue erfindungsgemäße Anordnung von Gitter
und Schiene verwenden. Wie in der Fig. 2 illustriert,
schließen zu diesem Zweck die negativen Platten 20
mindestens zwei Fahnen 28, 30 ein. Die Fahnen 28 sind elektrisch
durch die Schiene 50 gekoppelt, und die Fahnen 30 sind
elektrisch durch die Schiene 52 gekoppelt. Wie in der Fig. 1
gezeigt wird, können die Schienen 50 und 52 mit elektrisch
leitfähigem Material, wie Blei, wie das beispielsweise bei
50a, 50b und 50c gezeigt wird, überbrückt sein. Die Schienen
beinhalten auch den Kopf 54. Der Kopf 54 kann mit den
Schienen 50, 52 als integrale Komponente ausgebildet sein, oder
er kann für die elektrische Verbindung mit den Schienen
verschmolzen werden. Wie man anhand der Fig. 2 sehen kann,
papt der Pol 54 zur Tülle 56, die in der Abdeckung 60 der
Batterie inkludiert ist. Die Tülle 56 schließt auch den Pol
58 ein, der Kupfer umfassen kann.
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Verschiedene Parameter können in Abhängigkeit von den
Leistungserfordernissen, die für spezielle Anwendungen an die
Batterie gestellt werden, variiert werden. Beispielsweise
können die Abmessungen der Fahnen, insbesondere die der
außen liegenden Fahnen variiert werden. Zum Beispiel kann
für Batterien für hohe Stromentnahme die außen liegende
Fahne verengt werden, um einen größeren Durchmesser der
geschweißten Zellenverbindung zu ermöglichen, während eine
ausreichende Menge Bleimasse die geschweißte
Zellenverbindung umgibt, um den Innenwiderstand zu minimieren. Weiters
kann beispielsweise die Schienenverbindungseinrichtung
verdickt werden, um einem Anstieg im Widerstand
entgegenzuwirken, falls vorhanden, der durch eine engere Fahne und/oder
eine Zunahme vom Zentrum der Fahne zum Zentrum der
Schweißung verursacht wird.
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Die neue Anordnung von Fahne, Schiene und
Schienenverbindungseinrichtung und geschweißter Zellenverbindung gemäß
diesem Aspekt der Erfindung verbessert die Stromsammlung und
den Stromfluß in den erfindungsgemäßen Batterien
substantiell. Die zweite, hinzugefügte Fahne unterstützt die
Stromsammlung von der Platte. Der Strompfad ist theoretisch von
der Platte zur Fahne, durch das Zentrum der Fahne, zum
Zentrum der Schiene und dann zum Zentrum der geschweißten
Zellenverbindung. In der erfindungsgemäßen Batterie ist wegen
der hinzugefügten Fahne, den die Fahnen verbindenden
Schienen
und der Schienenverbindungseinrichtung, die die Schienen
elektrisch verbindet, der Querschnitt des Strompfads im
Vergleich zu einer Batterie mit herkömmlicher Gestaltung von
Schiene und geschweißter Zellenverbindung erhöht,
möglicherweise verdoppelt. Der Widerstand vom Zentrum der Fahne zum
Zentrum der Schweißung ist daher substantiell reduziert,
beispielsweise in der Größenordnung von etwa um 50 Prozent.
Folglich ist auch der Innenwiderstand der Batterie
niedriger.
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Weil die Unterseite der Schienenverbindungseinrichtung und
die Unterseiten der Plattenschienen in der bevorzugten
Ausführungsform in derselben Ebene liegen, ist die
erforderliche Höhe der Schienen und der
Schienenverbindungseinrichtung, und somit für die Zellenverbindungen, minimiert, und
es ist weniger Kopfraum erforderlich, um die geschweißten
Zellenverbindungen anzubringen. Daher können größere Platten
mit zusätzlichem aktivem Material auch in der Batterie
verwendet werden. Das zusätzliche aktive Material bietet eine
Batterie mit mehr Kapazität. Folglich haben die
erfindungsgemäßen Batterien höhere Energiedichte als Batterien
vergleichbarer Größe, die nicht die erfindungsgemäße neue Anordnung
von Fahne, Schiene und Schienenverbindungseinrichtung sowie
geschweißter Zellenverbindung einschließen.
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Der Batteriebehälter 12 ist vorzugsweise hochfestes,
feuerhemmendes, wiederverwertbares Material, das die
Volumeneffizienz und die Wärmehaushaltscharakteristika der Batterie
maximiert. Vorzugsweise besteht der Behälter 12 aus einem
Polyphenylenoxidharz, wie Noryl von General Electric
Corporation. Weiters schließt der Behälter 12 vorzugsweise Rippen
an den Seiten ein, um seine Oberfläche und die
Wärmeverteilung zu vergrößern und damit den Wärmehaushalt der Batterien
zu unterstützen. Die Rippen verstärken auch die Seiten des
Behälters, während die erforderliche Dicke der Behälterwände
reduziert wird.
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Die positiven und negativen Gitter können Blei oder
irgendeine aus einer Vielzahl von Bleilegierungen umfassen.
Beispielsweise können antimonfreie Bleilegierungen, wie Blei-
Zinn, Blei-Zinn-Calcium und Blei-Zinn-Seien, für das
negative Gitter und Bleilegierungen, wie Blei-Zinn,
Blei-Zinn-Calcium, Blei-Zinn-Seien und Blei-Antimon für das positive
Gitter verwendet werden.
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In geschlossenen Blei-Säure-Zellen ist es wünschenswert, für
das positive Gitter eine Legierung zu verwenden, die kein
übermäßiges Gasen verursacht, entsprechendes Zyklusverhalten
aufweist, zu Erholung nach Tiefentladung befähigt ist und
speziell für die Verwendung in unterbrechungsfreien
Stromversorgungsanwendungen eine Korrosionsgeschwindigkeit zeigt,
die für eine Lebensdauer von 10 Jahren geeignet ist. Das
positive Gitter kann beispielsweise eine
Blei-Zinn-Selen-Legierung oder eine Bleilegierung mit niedrigem Antimongehalt
umfassen, wie in US-PS 4,401,730 geoffenbart.
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Die positiven Gitter kann man nach bekannten Methoden
pastieren und trocknen und abstehen. Eine positive Pastendichte
von etwa 3,6 bis 4,3 g/cm³ ist nützlich. Es wird angenommen,
daß die Pastendichte niedriger sein kann, falls das
gewünscht wird; und eine solche niedrigere Pastendichte sollte
tatsächlich die Nutzung des aktiven Materials erhöhen.
"Leady", Blei glätte (Lithargit) und rotes Bleioxid sind
gleichermaßen für die Herstellung der Paste geeignet. Neben den
Einstellungen, um die gewünschte Dichte vorzusehen, kann man
auch herkömmliche Pastenformulierungen anwenden.
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Das negative aktive Material kann, wie bekannt ist, aus
"leady" oder Lithargit-Oxid hergestellt werden. In
Sauerstoffrekombinationszellen sollte die Dichte ausreichend
niedrig sein, um die scheinbare Oberfläche der Elektroden zu
erhöhen, um die gewünschte
Sauerstoffrekombinationsreaktionsgeschwindigkeit vorzusehen. Zu diesem Zweck ist die Dichte
geeignet im Bereich von etwa 3,6 bis 4,5 g/cm³.
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Das für die Separatoren verwendete Material sollte im
verwendeten Schwefelsäure-Elektrolyten stabil, gegen Oxidation
durch PbO&sub2; beständig sein und keine Materialien an den
Elektrolyten abgeben, die die Leistung der Zelle nachteilig
beeinflussen. Separatormaterialien, die den Fachleuten auf
diesem Gebiet bekannt sind, können bei der Durchführung
dieser Erfindung verwendet werden.