Hintergrund der Erfindung
Fachgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das
Fachgebiet von Blei-Säure-Batterien und insbesondere auf eine
ungewöhnliche Batterie-Gitterplatten-Konstruktion mit einer mittigen
Anschlußfahne. Noch spezifischer bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf positive oder negative Batterieplatten, die aus
solchen Gitterplatten mit mittigen Anschlußfahnen hergestellt
sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf angeformte Bügel in
einer ungewöhnlichen Ausgestaltung, die es gestatten,
Materialkosten einzusparen sowie die Leitfähigkeit und die Produktivität
bei dem Zusammenbau der Batterieelemente zu verbessern. In einer
weiteren Verfeinerung der vorliegenden Erfindung bezieht sich
die Erfindung auf Gitterplattenkonstruktionen, die
Gitterplatten-Anschlußfahnen mit erweiterten Grundflächen enthalten und
die Metall, normalerweise Bleilegierungen, in dem Bereich der
Anschlußfahnen konzentrieren, um die Stromsammlung zu
erleichtern. In Kombination ermöglicht es die vorliegende Erfindung,
auf einzelne Batterieplatten zu verzichten oder die Größe der
Platten zu verändern, wodurch leichtere Batterien mit
Leistungskennwerten erhalten werden, die denen schwererer Batterien
gleich sind, die sie ersetzen sollen, oder es ergeben sich
Batterien mit gleichem Gewicht, die wesentlich bessere
Leistungskennwerte aufweisen.
Beschreibung von bekannten Batteriesystemen
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Blei-Säure-Batterien haben normalerweise eine Reihe von dünnen,
flachen, im allgemeinen rechteckigen Gitterplatten, um einen
Strom durch die Batterie zu übertragen. Die Gitterplatten dienen
auch als ein Substrat zum Halten von elektrochemisch aktiven
Materialien oder von "Paste", die während der Herstellung darauf
abgelagert wird, um die Batterieplatten zu formieren. Die Paste
besteht normalerweise aus einer Mischung von Bleioxyd und einer
verdünnten Säurelösung, zum Beispiel Schwefelsäure. Die
Zusammensetzung der Paste wird durch die Leistungsanforderungen, die
Kosten und die Batterieumgebung bestimmt, wie es in dem
Fachgebiet bekannt ist.
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Es ist auch bekannt, daß Gruppierungen von einzelnen
Batterieplatten mit dazwischen angeordnetem Trennmaterial
zusammengesetzt und zusammengegossen werden können, um Plattenstapel zu
bilden. Die letzteren werden dann in einem Behälter
zusammengesetzt, um eine fertige Batterie formieren. Ein typisches
Beispiel dafür würde eine 12-Volt-Kraftfahrzeugbatterie sein, bei
der sechs einzelne Stapel in einem Kunststoffbehälter mit sechs
Kammern angeordnet sind. Offensichtlich ist es erforderlich, die
angeformten Bügel eines Stapels mit dem entsprechenden
angeformten Bügel des benachbarten Stapels zu verbinden. Weiterhin ist
es erforderlich, Anschlußelektroden vorzusehen, die sich durch
das Gehäuse erstrecken, um elektrischen Kontakt mit der
elektrischen Anlage des Fahrzeuges zu ermöglichen.
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Nachdem die Batterieplatten vollständig zusammengesetzt sind,
werden sie formiert, d. h. geladen, und die Batterie wird in
Betrieb genommen. Ein wichtiger Kennwert von Batterien ist die
sogenannte "Kalt-Anlaßleistung", d. h. die Menge an Leistung, die
pro Zeiteinheit erzeugt werden kann. Weitere Bezugnahmen auf die
Kalt-Anlaßleistung erfolgen in den nachfolgenden Abschnitten der
vorliegenden Beschreibung.
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In den letzten Jahren hat sich die Gitterplatte zu einer
siebförmigen Platte mit Matrix- oder Wabenmuster mit einander
abwechselnden Metallstreifen und offenen Räumen entwickelt. Eine
poröse chemische Paste wird auf die Gitterplatten und die
Bleirahmen-Bauteile oben, unten und an den Seiten aufgetragen. Nach
dem Aushärten der Paste werden die Elektroden in ein
Batteriegehäuse eingebaut. Danach wird das Gehäuse mit einer wäßrigen
elektrolytischen Lösung gefüllt und abgedichtet. In derzeitigen
Systemen sind die Anschlußfahnen gegenüber der Mittellinie der
Batterie in Größen versetzt, die von 12,7 mm (1/2 Zoll) bis zu
viel größeren Werten reichen, und in vielen Konstruktionen sind
die Anschlußfahnen entweder der positiven oder der negativen
Batterieplatten nahe einer oberen Ecke der Platte angeordnet.
Während des Zusammensetzens ist es erforderlich, die positiven
Anschlußfahnen der Batterieplatten miteinander zu koppeln und
die Anschlußfahnen der negativen Platten miteinander zu koppeln.
Das erfolgt normalerweise unter Verwendung von angeformten
Bleibügeln, die gebildet werden, indem man zusammengesetzte
Batterieplattenstapel nimmt, sie umkehrt und die Anschlußfahnen in
geschmolzenes Blei taucht, das in einer Gießform enthalten ist.
Bei den meisten gebräuchlichen Batterien haben solche
angeformten Bügel zur Zeit der Einreichung der vorliegenden Beschreibung
eine aufrechtstehende Endposition, wie es ausführlich erläutert
wird, wenn hierin später die Zeichnungen beschrieben werden.
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Mehrere dieser Basis-Batterieprinzipien sind in den US-Patenten
erläutert, die nachfolgend behandelt werden. Das erste ist das
US-Patent 669,085, ausgegeben am 5. März 1901 an Heidel und
betitelt mit "Batterie-Elektrode". Dieses Patent bezieht sich
auf ein Verfahren für die Montage von Batterie-Gitterplatten in
einem Behälter, wobei ausgesparte Vorsprünge um die Kanten der
Batterie herum angeordnet sind und Stopfen in die Vorsprünge
eingesetzt sind, um als Isolierungs-Abstandselemente zwischen
der Elektrode und der Batteriezelle zu dienen. In Fig. 1 des
Patentes sieht es so aus, daß ein nicht nummeriertes Element
relativ nahe der Mittellinie angeordnet ist, wobei dieses
Element jedoch gegenüber der Mittellinie der Batterie versetzt ist.
Das Element scheint mit einer Paste versehen zu sein, wodurch es
sich ganz deutlich von den Typen der heute verwendeten
Sammlersysteme unterscheiden würde.
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Eine andere frühere Gitterplattenkonstruktion ist in dem US-
Patent Nr. 4,118,553, ausgegeben am 3. Oktober 1978 an Buckethal
u. a., betitelt mit "Komposite-Batterie-Gitterplatte und
Herstellungsverfahren", aufgezeigt. Dieses Patent, das von dem
Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung als Inhaber übernommen
wurde, beschreibt eine Komposit-Gitterplatte mit einer
Kunststoffhalterung, welche leitfähige Bauteile aufweist, die in
einem Muster gegossen sind, das sich im allgemeinen radial von
der Sammelanschlußfahne erstreckt, die sich bei diesem Patent
nahe einer Ecke in der Gitterplatte befindet. Die Gitterplatte
hat einen rechtwinkligen Rahmen und horizontale und vertikale
Gitterplattenelemente sowie die vorher erwähnten radialen
Elemente. Das Patent bezieht sich hauptsächlich auf Verfahren zum
Gießen der Gitterplatte, insbesondere auf das Gießen ihrer
Kunststoffhalterung.
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Eine andere Gitterplattenanordnung für Blei-Säure-Batterien ist
in dem US-Patent Nr. 4,320,183, ausgegeben am 16. März 1982 an
Qureshi, betitelt mit "Gitterplatte für Batterien", dargestellt.
Die in diesem Patent offenbarte Gitterplatte für das Halten des
aktiven Batteriematerials ist durch eine "quasi-radiale
Konstruktion" gekennzeichnet, die ausgestaltet ist, um einen
effizienten Batteriebetrieb zu sichern. Zusätzlich zu den
horizontalen Gitterplattenelementen und den geraden, radialen Elementen,
die sich von dem oberen Rahmen aus erstrecken, weist die
Konstruktion mehrere Elemente auf, die in ihrer Konfiguration
radial und teilweise vertikal sind. Die schräg angeordneten Leiter
erstrecken sich zu dem unteren Rahmenelement hin.
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Eine andere Batterieplattenausführung ist in dem US-Patent Nr.
4,683,180, ausgegeben am 28. Juli 1987 an Bish u. a., betitelt mit
"Elektrische Speicherbatterie", aufgezeigt. Die Anschlußfahnen
für die jeweiligen positiven und negativen Gitterplatten sind
jeweils gegenüber der Mittellinie der Batterie versetzt und sind
unter Verwendung einer Vorrichtung, die eine Issolierhülse
enthält, welche mit dem Fuß jeder Anschlußfahne in enger Berührung
ist, mit gleichen Platten gekoppelt. Die Hülsen der
verschiedenen Platten stoßen aneinander und können dazu dienen, eine
Gießform für das Ausformen des Platten-Bügel-Gusses darauf zu
bilden. Die Anschlußfahne selbst ist an ihrem oberen Ende im
allgemeinen rechtwinklig und in dem Bereich zwischen dem oberen
Bereich und der Gitterplatte selbst trapezförmig dargestellt.
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Wenn es auch aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich
ist, daß zahlreiche Gitterplattenkonstruktionen auf dem
Fachgebiet der Blei-Säure-Batterien entwickelt wurden, verbleiben doch
noch mehrere Probleme bei der Konstruktion und der Herstellung
solcher Batterien. Eines der bedeutendsten Probleme ist das
Gewicht, das mit diesem Typ einer Energiequelle im Zusammenhang
steht, insbesondere in diesen Zeiten der wachsenden Bedeutung
der Brennstoffeffektivität und der Gestaltung von Bauteilen mit
geringst möglichen Gewicht. Die meisten im Handel erhältlichen
Batterieplatten enthalten
Bleilegierungs-Gitterplatten-Materialien, kombiniert mit dem Elektrolyten und bleibasierten Paste-
Materialien. Jedes System, welches das Gewicht der Batterie
verringert, während es die für eine spezielle Anwendung
geforderte Leistung zur Verfügung stellt, würde ein wesentlicher
Fortschritt auf dem Fachgebiet sein.
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Weitere Probleme beziehen sich auf die Herstellung solcher
Batterien, wobei die Platten mit den angeformten Bügeln gekoppelt
werden müssen, und wobei die Bügel in benachbarten Zellen
aneinander geschweißt werden müssen, um einen Stromfluß durch das
System zu ermöglichen. Wege für die Überwindung solcher
Herstellungsprobleme würden ebenfalls einen wesentlichen Fortschritt
auf dem Fachgebiet darstellen.
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Ferner ist es immer vorteilhaft, nach Wegen zu suchen, um den
Wirkungsgrad der Gitterplatte bei der Stromübertragung von den
Stellen, an denen die elektrochemischen Reaktionen stattfinden
zu den Sammelanschlußfahnen zu maximieren. Eine Verbesserung der
Gitterplattenkonstruktion auf diesem Gebiet würde ebenfalls
wichtig sein.
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Jedes System, welches die verschiedenen, in den vorhergehenden
Abschnitten behandelten Vorteile, kombiniert, würde ebenfalls
einen sehr wesentlichen Fortschritt auf diesem Fachgebiet
darstellen.
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EP-A-0 117 650 offenbart ein Substrat für eine
Batterieelektrode, wobei das Substrat die Form eines Gitternetzes aufweist, das
von einem stromleitenden Umfang begrenzt ist und das einen
Stromanschluß oder eine Fahne auf dem Umfang aufweist.
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EP-A-0 058 082 offenbart eine gegossene radiale Gitterplatte für
Batterien zum Halten der aktiven Masse in einer
Blei-Säure-Batterie. Die Gitterplatte hat einen rechtwinkligen Rahmen, der auf
dem oberen Bauteil des Rahmens eine hervorstehende Anschlußfahne
trägt.
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US-A-5,098,799 offenbart eine Elektrode für einen Blei-Säure-
Strom durch eine Batterie, wobei die Gitterplatte einen
Kunststoffrahmen aufweist und eine Platte an der Oberseite des
Rahmens aufgehängt ist, um frei in dem Kunststoffrahmen zu hängen
und wobei eine Paste auf die Platte aufgetragen ist. Die
Gitterplatte hat ein siebartiges Muster oder eine aus Streifen von
Blei gebildete Matrix, die offene Räume definiert, die mit einer
chemischen Paste gefüllt sind.
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EP-A-0 020 089 offenbart eine Gitterplatte einer
Speicherbatterie, die aus einem Rahmen mit einer Anschlußfahne an der oberen
Kante davon besteht und von einer Ecke des Rahmens beabstandet
ist und weiterhin aus einem Satz von Leitern, die parallel
zueinander die Seitenkanten des Rahmens verbinden, sowie aus einem
Satz von radialen Armen, die sich von der oberen Kante zu jeder
der drei anderen Kanten des Rahmens divergierend erstrecken.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gitterplatte für
eine Blei-Säure-Batterie, wie sie in Patentanspruch 1
beansprucht ist.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf einen Stapel
von Batterieplatten, wie er in Patentanspruch 4 beansprucht ist.
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Die vorliegende Erfindung verkörpert eine neuartige Batterie-
Gitterplattenkonstruktion, die entweder positive oder negative
Platten und eine mittige Anschlußfahnenkonstruktion enthält, um
die Stromsammlung zu maximieren. Die vorliegende Erfindung
verkörpert auch eine ungewöhnliche Anordnung des oberen
Gitterplattenrahmenelementes und der Anschlußfahne, um eine größere Menge
des leitfähigen Materials in dem Bereich der Anschlußfahne
vorzusehen und eine Anordnung der sich vertikal oder radial
erstreckenden Leiter, die ebenfalls gewährleistet, daß mehr
Gitterplatten-Legierungsmaterial in der Nähe der Anschlußfahnen
vorgesehen werden kann.
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Zusätzlich zu der neuartigen Gitterplattenkonstruktion und der
neuartigen Bautechnologien weist die vorliegende Erfindung auch
eine andere Anordnung des angeformten Bügels auf, die für die
bekannten Batterien verwendet werden könnte, die jedoch auch
speziell für das Koppeln von Gitterplatten geeignet ist, die
eine mittige Anschlußfahne haben. Die Bügelkonstruktion ist
leitfähiger als Bügel in derzeitiger Konstruktion.
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Die vorliegende Erfindung verkörpert auch eine
Gitterplattenkonstruktion, bei der die Gitterplatten mit mittiger
Anschlußfahne bis zu 68% leitfähiger sind, als die Gitterplatten in
derzeitiger Konstruktion, während sie hinsichtlich der Menge des
leitfähigen Gitterplattenmaterials nur geringfügig schwerer ist.
Bei einer solchen höheren Leitfähigkeit kann die
Kaltanlaßspannung für die Batterie in einem solchen Maße erhöht werden, daß
es möglich ist, auf eine Platte jedes Plattenstapels zu
verzich
ten, ohne die Höhe der vorhandenen Platten zu verringern und
dadurch Materialkosten einzusparen. Unter Verwendung des
kombinierten Systems des angeformten Bügels und der
Gitterplattenkonstruktion mit mittiger Anschlußfahne kann eine
Gesamtverringerung des Batteriegewichtes bewirkt werden, wobei nur eine
minimale Verringerung der Reservekapazität zu verzeichnen ist.
Wenn auf Platten verzichtet werden kann, können größere Platten
mit den neuen angeformten Bügeln verwendet werden und alles
aktive Material, das mit den weggelassenen Platten entfernt
werden kann, kann auf den verbleibenden Platten neu verteilt
werden. Eine höhere Herstellungsgeschwindigkeit kann erreicht
werden, die zu weniger Kapitalkosten und Lagerkosten infolge der
geringeren Plattenanzahl führt.
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Ein anderes wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die
Fähigkeit, die Möglichkeit einer Elementenumpolung während des
Zusammenbaus auszuschließen. Wenn eine Gitterplatte mit mittiger
Anschlußfahne für die positiven oder negativen Platten verwendet
wird, muß für die anderen Platten eine andere
Anschlußfahnenposition gewählt werden. Da die Elemente wegen der asymmetrischen
Bügelausgestaltung nur in einer Richtung ausgerichtet werden
können, können Ausfälle infolge der Elementenumpolung
ausgeschlossen werden. Ferner vereinfacht das Reihen-Schweißen, das
angewendet werden muß, um die Bügel der angrenzenden Zellen
elektrisch zu koppeln, die Ausrichtung der Schweißklauen.
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Das bevorzugte Gitterplattenmuster enthält mehr leitfähiges
Material an der Oberseite und nahe dem Anschlußfahnenbereich,
resultierend aus der Verwendung von breiteren vertikalen Leitern
und vertikalen Leitern mit Verjüngung.
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Andere Merkmale der Erfindung und andere Wege, auf denen die
vorliegende Erfindung die Merkmale zur Verfügung stellt, werden
einem Fachmann nach dem Lesen der ausführlichen Beschreibung
einer besonders bevorzugten Ausführung deutlich.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer positiven
Batterie-Gitterplatte mit mittiger Anschlußfahne gemäß der bevorzugtesten Form
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Perspektivansicht einer negativen
Batterie-Gitterplatte gemäß der bevorzugtesten Form der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 3A ist eine Vorderansicht einer Konstruktion des
angeformten Bügel, die dem Stand der Technik entspricht;
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Fig. 3B ist eine Seitenansicht des in Fig. 3A dargestellten
Bügels;
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Fig. 4A ist eine Seitenansicht der Konstruktion eines
angeformten Bügels gemäß der bevorzugtesten Form der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 4B ist eine Ansicht des in Fig. 4A dargestellten
angeformten Bügels von oben;
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Fig. 4C ist eine Seitenansicht des in Fig. 4A dargestellten
Bügels; und
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Fig. 5 ist eine perspektivische und schematische Ansicht einer
aus sechs Kammern bestehenden Batterie von oben, welche die
Anordnung der angeformten Bügel gemäß der bevorzugten Form der
vorliegenden Erfindung darstellt und die positiven und negativen
Anschlußelektroden zeigt.
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In den verschiedenen Figuren werden gleiche Bezugszahlen
verwendet, um gleiche Komponenten zu kennzeichnen.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugtesten Ausführung
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Bevor zu der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten
Ausführung der vorliegenden Erfindung übergegangen wird, sollen einige
geeignete Bemerkungen zu ihrer Anwendbarkeit und ihrem
Schutzumfang gemacht werden.
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Erstens werden in dem verbleibenden Rest der Beschreibung
mehrere Ausdrücke verwendet, die in dieser Einführung definiert
werden sollten. Der Ausdruck "Gitter" wird verwendet, um Bezug auf
das Netz von Leitern mit offenen Räumen und umgebenden
Rahmenelementen und einer Anschlußfahne zu nehmen, die alle verwendet
werden, um Strom aus elektrochemischen Reaktionen zu leiten, die
während der Formierung und Entladung der Batterie stattfinden.
Der Ausdruck "Platte", wie er hierin verwendet wird, bezieht
sich auf positive oder negative Kombinationen von aktivem
Pastematerial und Gittern. Der Ausdruck "Stapel" bezieht sich auf
eine Kombination einer Vielzahl von positiven und negativen
Platten, die zum Einsetzen in eine Batteriekammer, wie zum
Beispiel eine Zelle einer Mehr-Stapel-Batterie zusammengebaut sind.
Der Ausdruck "angeformter Bügel", wie er hierin verwendet wird,
bezeichnet den Bügel aus leitfähigem Material, der verwendet
wird, um die Anschlußfahnen gleicher Polarität in einem Stapel
zu kombinieren und elektrisch miteinander zu verbinden.
"Anschlußelektroden" sind die positiven und negativen Elektroden,
die normalerweise in den Endkammern einer Batterie anzutreffen
sind. Solche Anschlußelektroden enthalten normalerweise
Abschnitte, die sich je nach Batteriekonstruktion entweder durch
die Oberseite der Batterie oder durch die Vorderseite der
Batterie erstrecken.
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Was die Materialien anbetrifft, sind sie an sich nicht
Bestandteil der vorliegenden Erfindung. In dieser Hinsicht können in
der vorliegenden Erfindung schon früher verwendete und in dem
Fachgebiet für das Vorbereiten von Batteriegitterplatten gut
bekannte Materialien verwendet werden, einschließlich der
bevorzugten Blei-Antimon-Legierungen. Bezüglich der aktiven
Pastema
terialien können diese normalerweise Pastematerialien sein, die
in zahlreichen Patenten und Texten über Blei-Säure-Batterien
beschrieben sind. Die angeformten Bügel sind normalerweise aus
Blei und, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung, sollte
bemerkt werden, daß sie normalerweise den Batteriestapeln in
einem Einzelvorgang hinzugefügt werden, der den Zusammenbau
einer Vielzahl von Stapeln in der Anzahl, die für die fertige
Batterie benötigt wird und ihr Ergreifen mit einer Ausrüstung,
die das Umkehren der Vielzahl von Stapeln und das Einsetzen der
Anschlußfahnen in die flüssiges Blei enthaltenden Gießformen
gestattet, beinhaltet. Nach dem Abkühlen wird der Stapel
entfernt, wobei zu dieser Zeit die verschiedenen Bügel starr und an
den Anschlußfahnen befestigt sind.
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Was das Gehäusematerial anbetrifft, kann es ebenfalls aus
Materialien ausgewählt werden, die in dem Fachgebiet bekannt sind,
wobei man normalerweise einen äußeren Behälter, wie in einer der
Figuren dargestellt ist, eine Vielzahl von Zellenteilern und
einen Deckel (hierin nicht dargestellt) hat, der verschiedene
andere normale Komponenten für Blei-Säure-Batterien enthalten
kann, einschließlich Entlüftungskappen, Explosionsdämpfungs-
Vorrichtungen und ähnliches. Wenn auch im Zusammenhang mit
einigen in der vorliegenden Beschreibung vorhandenen Vergleichsdaten
Bezug auf bestimmte Materialien genommen wird, bezieht sich die
Erfindung doch primär auf die Anordnung von Bauteilen und neuen
Konstruktionen für Gitterplatten und Bügel und nicht so sehr auf
die Materialien.
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Vor dem Verlassen dieses Abschnittes der Beschreibung sollte
auch bemerkt werden, daß die Größe der verschiedenen Komponenten
in weiten Grenzen unter Verwendung der Prinzipien der
vorliegenden Erfindung variiert werden kann. Die Abbildungen und einige
hierin angeführte Abmessungen beziehen sich auf
Kraftfahrzeuganwendungen, bei denen Gruppen von 12 bis 13 Platten in jedem der
sechs Stapel für das Herstellen einer
12-V-Standard-Kraftfahrzeugbatterie verwendet werden. Fachleuten wird es nach dem Lesen
dieser Beschreibung klar sein, daß die Größe der einzelnen
Git
terplatten, die Anzahl der Platten in jedem einzelnen Stapel und
die Anzahl der Stapel, die verwendet wird, um eine Batterie
aufzubauen, je nach dem gewünschten Endverwendungszweck in
weiten Grenzen variieren kann.
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Als nächstes soll eine Beschreibung der Komponenten erfolgen,
welche die bevorzugteste Form der vorliegenden Erfindung bilden
und abschließend soll eine Erläuterung erfolgen, wie solche
Komponenten in einem Leicht-Batteriepack zusammengebaut sind,
der Leistungs- und Reservekapazitäten aufweist, die mit denen
heute in Anwendung befindlicher schwererer Batterien
vergleichbar sind, wobei die Aufmerksamkeit zuerst auf Fig. 1 gerichtet
werden soll. In dieser Figur ist eine Batterie-Gitterplatte 10
dargestellt. Die Gitterplatte 10 wird in der nachfolgenden
Erläuterung als eine Gitterplatte für eine positive Batterieplatte
behandelt, obwohl es so zu verstehen ist, daß die in Fig. 1 und
2 beschriebenen Gitterplatten umgekehrt werden könnten, d. h. daß
die Gitterplatte 10 für die negative Elektrodenplatte verwendet
werden könnte.
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Wie andere Gitterplatten, die in einigen der vorher erwähnten
Patente erläutert sind, enthält die Gitterplatte 10 einen im
allgemeinen rechtwinkligen Rahmen mit einem oberen Rahmenelement
12, ersten und zweiten seitlichen Rahmenelementen 13 und 15 und
einem unteren Rahmenelement 17. Die Abbildung zeigt auch zwei
kleine Füße 18 und 19, die sich von dem unteren Rahmenbauteil 17
nach unten erstrecken, wobei solche Bauteile ebenfalls auf dem
Batterie-Fachgebiet bekannt sind und sie vorgesehen sind, um die
Gitterplatte und die Platte, in die sie eingebaut wird, von dem
Boden des Batteriebehälters zu beabstanden. Die Gitterplatte 10
enthält auch eine Vielzahl von horizontalen Leitern, die durch
die Bezugszahl 20 dargestellt sind und die im allgemeinen
zwischen dem unteren Rahmenbauteil 17 und dem oberen Rahmenbauteil
12 gleichmäßig beabstandet sind. In der dargestellten Figur sind
zwanzig der Leiter 20 dargestellt, obwohl diese Anzahl variiert
werden könnte.
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Die Gitterplatte 10 enthält auch eine Vielzahl von vertikal und
radial gerichteten Leitern 22, die sich von dem oberen
Rahmenelement 12 nach unten zu dem Rahmenelement 17 hin erstrecken und
die bei bestimmten der Leiter 22 das obere Rahmenbauteil 12 und
die am nächsten gelegenen seitlichen Rahmenbauteile 13 und 15
verbinden. In der bevorzugten Ausführung erstrecken sich die
Leiter 22 in einem Winkel zwischen 0º und 26º gegenüber der
Vertikalen, wobei ein mittlerer der Leiter 22 (als 22a
gekennzeichnet) auf halbem Wege zwischen den seitlichen
Rahmenelementen 13 und 15 angeordnet ist und sich senkrecht zu den oberen
und unteren Rahmenelementen der Gitterplatte 10 erstreckt. Da
sich die Entfernung zwischen dem Leiter 22a und den Seitenwänden
verringert, wird der Winkel allmählich größer.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist auch zu bemerken, daß die Leiter
22 von dem unteren Rahmenelement 17 nach außen spitz zulaufen,
wenn sie sich dem oberen Rahmenelement 12 nähern. Ein anderes
Merkmal der Gitterplatte der vorliegenden Erfindung ist in Fig.
1 abgebildet. Das obere Rahmenelement 12 enthält in seiner Mitte
einen im allgemeinen dreieckförmigen und sich nach oben
erstreckenden Abschnitt 24, der an seinem oberen Ende in einem
rechtwinkligen oberen Anschlußfahnen-Abschnitt 24 endet. Wenn
auch in der dargestellten Ausführung die Linie zwischen dem
oberen Rahmenelement 12 und dem Abschnitt 25 als eine gerade
Linie dargestellt ist, könnte sie auch gekrümmt oder abgestuft
sein. Der Abschnitt 25 ist unmittelbar über dem Leiter 22a und
an der Mittellinie der Gitterplatte 10 zwischen den seitlichen
Rahmenelementen 13 und 15 angeordnet.
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Gezeigt ist eine Anzahl von kurzen Anschlußleitern 27 und 29,
die Abschnitte des unteren Rahmenelementes 17 und des ersten
horizontalen Leiters 20 und das obere Rahmenelement 12 und den
am nächsten gelegenen horizontalen Leiter 20 koppeln, wobei der
letztere aus Gründen der konstruktiven Integrität vorgesehen ist
und an und für sich keinen Bestandteil der vorliegenden
Erfindung bildet.
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Die Anordnung der verschiedenen Leiter 20, 22, 22a, 27 und 29
sowie der Rahmenelemente definiert eine Vielzahl von offenen
Räumen 30, deren Funktion es ist, die Batteriepaste aufzunehmen
und festzuhalten.
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Für die in Fig. 1 dargestellten Gitterplatten sind mehrere
Abmessungen vorgesehen und es ist wiederum wichtig, zu verstehen,
daß die Abmessungen für eine spezielle Anwendung gelten und
nicht eingeschränkt sind. Diese Gitterplatten sind ausgestaltet,
in Batterien enthalten zu sein, die von dem Rechtsnachfolger der
vorliegenden Erfindung hergestellt werden und stellen nur eine
Batterie einer einzigen Größe dar. Der Rechtsnachfolger stellt
vielfältige Arten und Größen von Blei-Säure-Batterien her, die
Gitterplatten verwenden, für die die Prinzipien der vorliegenden
Erfindung leicht angepaßt werden könnten.
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In einem Beispiel könnte jedoch eine Gitterplatte 10 eine Breite
von etwa 14,7 cm (5,8 Zoll) und eine Gesamthöhe von etwa 11,4 cm
(4,48 Zoll) aufweisen (nicht eingerechnet die Verlängerungen von
dem oberen Rahmenbauteil). Der Abschnitt 25 in der dargestellten
Ausführung hat eine Höhe von etwa 5 mm (0,2 Zoll), während die
Höhe des Abschnittes 24 etwa 1 cm (0,40 Zoll) beträgt. Die
Anschlußfahnenbreite, d. h. die Breite des Bereiches 25 beträgt 1,3
cm (0,50 Zoll).
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Die Gitterplatte 10, die nun beschrieben wird, ist, im Gegensatz
zu der geradlinigen Konstruktion, die in einigen der vorher
behandelten bekannten Patente aufgezeigt ist, eine Radial- oder
eine verzweigte Radialkonstruktion. Die Hauptmerkmale der
Gitterplatte 10 schließen ein, daß in dem oberen Bereich und im
Bereich der Anschlußfahnen mehr leitfähiges Material vorgesehen
ist und weniger leitfähiges Material im unteren Abschnitt der
Gitterplatte. Die vertikalen Leiter sind breiter als die
horizontalen Leiter und abgeschrägt. Im allgemeinen ist die
Gitterplatte 10 ausgestaltet, die Bleimenge in den horizontalen
Leitern zu minimieren und die Bleimenge, die, innerhalb der
Gewichtsbegrenzungen der gesamten Batteriekonstruktion, in dem
Bereich der Anschlußfahnen konzentriert ist, zu maximieren. Ein
anderer Weg auf dem das bei der bevorzugtesten Form der
Erfindung erfolgt, ist es, die Breite des unteren Rahmenelementes 17
auf 2 mm (0,80 Zoll) zu verringern (im Vergleich zu vorhandenen
Konstruktionen, die 2,5 mm (0,100 Zoll) breit sind) und die
Breite des oberen Rahmenelementes 12 auf 2,8 mm (0,110 Zoll) zu
vergrößern.
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Fig. 2 zeigt ein negative Gitterplatte 40, die gemäß den
Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und die bei der
Gitterplatte 10 nützlich waren, um Elektrodenplatten,
Elektrodenstapel und schließlich eine Batterie vorzubereiten. Die
Gitterplatte 40 enthält ein oberes Rahmenelement 42,
gegenüberliegende seitliche Rahmenelemente 43 und 45 und ein unteres
Rahmenelement 47, die allgemein den Abmessungen der Gitterplatte 10
ähnlich sind. Das markanteste Merkmal der Gitterplatte 40 ist
seine Anschlußfahne 48, die bei der vorliegenden Darstellung in
der oberen, linken Ecke angeordnet ist, die jedoch auch einen im
allgemeinen verbreiterten unteren Abschnitt 50 und einen im
allgemeinen rechtwinkligen Abschnitt 52 enthält. Vorgesehen sind
horizontale Leiter 54 sowie eine Vielzahl von versteifenden
kürzeren Leitern 55, die das obere Rahmenelement 42 und das
unteren Rahmenelement 47 mit dem am nächsten gelegenen
horizontalen Leiter 54 koppeln. Eine Vielzahl von sich radial
erstreckenden Leitern 56, die im allgemeinen von dem oberen
Rahmenelement 42 ausgehen, erstreckt sich zu dem unteren Rahmenelement 47
und zu dem seitlichen Rahmenelement 45 hin, und enthält die
Abschrägung, auf die vorher im Zusammenhang mit der Gitterplatte
10 Bezug genommen wurde. Wie die Gitterplatte 10 weist auch die
Gitterplatte 40 in dem Bereich der Anschlußfahne einen höheren
Prozentsatz des leitfähigen Materials auf. Die Gitterplatte 40
enthält weiterhin ein dünneres, unteres Rahmenelement 47 und ein
dickeres, oberes Rahmenelement 42. Das alles sind Merkmale, die
die Leitfähigkeit der Gitterplatte erhöhen (den spezifischen
elektrischen Widerstand verringern) und dadurch den Stromfluß zu
der Anschlußfahne erleichtern.
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Die Abmessungen der Gitterplatten 10 und 40 sind im wesentlichen
identisch, mit Ausnahme der Lage der Anschlußfahne, so daß die
positiven und negativen Gitterplatten mit aktiven
Pastematerialien bedeckt und kombiniert werden können, um einen
Plattenstapel zu bilden, wobei ein Beispiel davon hiernach ausführlicher
dargestellt wird. Für vergleichbare Abmessungen kann auch die
Gitterplatte 40 geringfügig schwerer sein, als die Gitterplatte,
die ersetzt werden soll, wobei das ein Kennwert ist, der durch
die Möglichkeit, zumindest eine Gitterplatte von jedem Platten-
Stapel wegzulassen, wodurch ein geringeres Gesamtgewicht für den
Stapel erreicht wird, mehr als ausgeglichen wird. Anstelle des
Weglassens von Platten könnten kürzere Platten verwendet werden,
um die Gewichtsverringerung zu erreichen. Eine solche
Gewichtsreduzierung wird ohne Verlust von Kalt-Anlaßleistung oder
bedeutenden Verlust von Reservekapazität erreicht. Anders könnte bei
Batterien mit ähnlichem Gewicht eine bessere Leistungsfähigkeit
erreicht werden.
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Beide Gitterplatten 10 und 40 stellen eine wesentliche
Abweichung von den Gitterplatten dar, die gewöhnlich in den heutigen
Kraftfahrzeugbatterien verwendet werden. Beispielsweise haben
die von dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung
verwendeten Gitterplatten normalerweise positive und negative
Gitterplatten, die sich in ihrer Konfiguration ähnlich sind, wobei der
Mittelpunkt der Anschlußfahne gegenüber der Mittellinie der
Gitterplatte um 17,5 mm (0,688 Zoll) versetzt ist. Wenn das auch
bei dem Zusammenbau der Batterie bestimmte Symmetrien gestattet,
ergeben sich jedoch auch bedeutende Fertigungsnachteile und
Nachteile in dem Potential für die Umkehrung. Die letzteren
können bei Verwendung von Gitterplatten der vorliegenden
Erfindung vollständig eliminiert werden.
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Es erfolgt nun eine Beschreibung von Fig. 3A. Dort ist ein
angeformter Bügel 60 entsprechend dem Stand der Technik dargestellt.
Wie vorher erwähnt wurde, werden solche Bügel den
Batterieplattenstapeln zugefügt, indem man zuerst eine gewünschte Anzahl von
positiven und negativen Platten zusammensetzt. Ein solches
Zu
sammensetzen
beinhaltet die abwechselnde Anordnung von positiven
und negativen Platten und das Anbringen von Trennmaterial
zwischen den Platten. In dem Fachgebiet sind verschiedene Maschinen
für den Zusammenbau der Platten und für ihr Ergreifen bekannt,
so daß sie umgekehrt werden können, um die Anschlußfahnen in
einer Bügel-Gießform anzuordnen, die geschmolzenes Blei enthält.
Nach dem Entfernen der Platten aus der Gießform, ist ein Bügel,
so wie er in Fig. 3A dargestellt ist, an jeder Anschlußfahne in
einer Reihe von Anschlußfahnen in dem Plattenstapel befestigt.
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Fig. 3A und 3B zeigen unterschiedliche Ansichten eines typischen
angeformten Bügels. Statt die Gießform zu zeigen, aus der heraus
die Bügel hergestellt werden, sind Vorder- und Seitenansichten
gezeigt und es sollte aus der Beschreibung zu diesem Punkt
hervorgehen, daß die tatsächlichen Bügel mit den
Sammler-Anschlußfahnen gekoppelt sein würden, da sie integriert damit geformt
werden. Die angeformten Bügel 60 haben im allgemeinen einen
rechtwinkligen, länglichen Körper-Abschnitt 62, der eine Länge
aufweist, die ausreicht, um mit jeder Anschlußfahne in einer
Reihe eines Batterieplattenstapels gekoppelt zu werden. Die
angeformten Bügel 60 weisen auch einen sich vertikal
erstreckenden Bereich 64 an einem Ende des Bereiches 60 auf, wobei
das Ende 64 eine obere Rundung 65 aufweist, so daß das
Gesamterscheinungsbild des Endbereiches 64 einem Grabstein ähnlich
ist.
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Die Bügel 60 sind in der Ausrichtung für die positiven und
negativen Anschlußfahnen umgekehrt, so daß die vertikalen Bereiche
64 sich an den entgegengesetzten Enden des Stapels befinden. Von
Fachleuten dieses Fachgebietes ist weiterhin zu erkennen, daß
die Bereiche 64 angeordnet sind, um eng anliegend mit den
Trennwänden des Batteriegehäuses (nicht dargestellt)
zusammenzupassen, so daß der Bereich 64 eines Stapels, der positive
Plattenanschlußfahnen verbindet, durch die Gehäusewand bis zu dem
Bereich 64 des Bügels, der die negativen Plattenanschlußfahnen in
der angrenzenden Zelle koppelt, elektrisch geschmolzen werden
kann. Eine solche Kopplung erfolgt in der derzeitigen
Batterie
herstellungstechnik unter Verwendung von Schweißbacken, die sich
über dem Paar der Bereiche 64 nach unten erstrecken und die
zusammengeklemmt werden, um den Schweißvorgang auszuführen.
Während eines solchen Schweißvorganges muß mit beträchtlicher
Sorgfalt vorgegangen werden, weil die Backen, wenn sie zu weit
abgesenkt sind, die Bereiche 62 der Bügel 60 berühren und das zu
einer verschobenen und/oder fehlerhaften. Schweißnaht führen
kann.
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Sich als nächstes der Beschreibung von Fig. 4A bis 4C zuwendend,
sind dort die angeformten Bügel der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Diese Bügel haben eine unterschiedliche Konfiguration
und Ausrichtung, die durch die Konstruktion der mittigen
Anschlußfahne der Gitterplatten und Platten, mit denen sie
verwendet werden, ermöglicht wird. Die Bügel 70 sind weiterhin ohne
die angeschlossenen Anschlußfahnen dargestellt und, wie es
vorher erwähnt wurde, würden die Bügel 70 ebenfalls unter
Verwendung von Gießtechniken gebildet werden, die an sich kein
Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind. Die Bügel 70
enthalten einen länglichen Körperabschnitt 72 mit einer Länge gleich
oder größer der Länge der Reihe von Anschlußfahnen, die er zu
verbinden hat und einen Querschnitt, der sich in der Dicke und
Breite zwischen dem Ende 76 und dem seitlichen Überstand 74
allmählich vergrößert. An einem Ende des Abschnittes 72 ist eine
sich seitlich erstreckende Verlängerung 74 ausgebildet. Durch
Vergleichen der Fig. 3A bis 3B und der Fig. 4A bis 4C ist
festzustellen, daß die Gesamthöhe der angeformten Bügel der
vorliegenden Erfindung geringer ist und daß das grabsteinförmige
Erscheinungsbild radikal verändert ist. Die Verwendung von
Bügeln mit niedrigerem Profil gestattet die Verwendung von
größeren Platten, welche die Flexibilität der Batteriekonstruktion,
die mit der vorliegenden Erfindung erreichbar ist, weiter
erhöhen.
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In der Praxis würden zwei angeformte Bügel 70 für jeden
Batteriestapel verwendet werden (mit Ausnahme der Endstapel), einer
mit Platten, die eine mittige Anschlußfahne enthalten und einer
mit Platten, die eine Anschlußfahne enthalten, die gegenüber der
Mitte versetzt ist. Die Bügel 70 sind in einer solchen Weise
angeordnet, daß sich die seitlichen Überstände 74 in den Bereich
erstrecken, der im allgemeinen durch die beiden
Anschlußfahnenreihen eines solchen Stapels definiert ist.
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Die Endstapel würde nur einen der Bügel 70 enthalten und einen
weiteren Bügel für die Anschlußelektroden, wie es nun in
Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wird.
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Fig. 5 zeigt in einer Ansicht von oben und in etwas
schematisierter Form eine Batterie, die gemäß den Merkmalen der
bevorzugtesten Ausführung der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist.
Die einzelnen Platten sind nicht im Detail dargestellt und der
Deckel und seine dazugehörigen Komponenten sind ebenfalls aus
der Zeichnung entfernt worden, um die Erläuterung der
Komponenten zu erleichtern, welche die bevorzugtesten Aspekte der
Erfindung bilden. Die Batterie 80 enthält eine Kammer 82 mit einer
vorderen Wand 84, Endwänden 85 und 87, der hinteren Wand 86 und
einem Boden (nicht dargestellt). Zwischen den Endwänden 85 und
87 sind fünf Zellentrennwände 88 angeordnet, wodurch sechs
Kammern 89 gebildet werden, wie es gegenwärtig bei einer 12-Volt-
Kraftfahrzeugbatterie normal sein würde.
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In jeder Kammer 89 ist ein Plattenstapel 90 angeordnet, wobei
jeder Stapel 90 aus einer Vielzahl von positiven und negativen
Platten mit dazwischen angeordnetem Trennmaterial besteht und
die Anschlußfahnen der positiven Platte auf der Mittellinie der
Batterie angeordnet sind. Die Anschlußfahnen der negativen
Platte sind nahe der hinteren Wand 86 angeordnet, mit Ausnahme des
Stapels 91, bei dem die Anschlußfahnen der negativen Platte in
einer Endkammer benachbart zu der vorderen Wand 84 angeordnet
sind. Diese Umkehrung ist nur vorgesehen, damit die
Anschlußelektrode, die nachfolgend beschrieben wird, auf derselben Seite
der Batterie angebracht werden kann.
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Diese Figur zeigt deutlich, wie die angeformten Bügel 70 in der
Batteriekammer angeordnet sind und wie sie sich in
spiegelbildlicher Form abwechseln, so daß die seitlichen Verlängerungen 74
der Bügel 70 in dem Bereich zwischen den Körperabschnitten 72
des Bügels 70 die Batterie herunter eine einzige Linie bilden.
Durch Bezugnahme auf diese Figur kann auch eingeschätzt werden,
daß der Schweißvorgang unter Verwendung der angeformten Bügel 70
dadurch leichter ausgeführt werden kann, weil die
Backenausrichtung leichter zu erreichen ist und es weniger Möglichkeiten
gibt, die Bügel oder Platten zu beschädigen, weil die Abschnitte
74 über der Oberseite der Platten beabstandet sind.
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Fig. 5 zeigt auch die angeformten Bügel 92 und 94, die jeweils
für die positiven und die negativen Anschlußelektroden
vorgesehen sind. Diese Bügel enthalten jeder einen Körperabschnitt 95,
der die jeweiligen Anschlußfahnen in den Endkammern koppelt und
eine Säule 97, die in der vorliegenden abgebildeten Ausführung
ausgebildet ist, um den Deckel (nicht dargestellt) zu
durchdringen. In vielen Fällen wird die Ausrichtung der Anschlußelektrode
durch die Konstruktionsparameter der Batterie selbst diktiert
und es sind Konstruktionen mit oberer Säule, seitlicher Säule
und andere Konstruktionen bekannt, die durch einen Fachmann auf
diesem Fachgebiet nach dem Lesen der vorliegenden Beschreibung
leicht angepaßt werden könnten. Die Bügel 92 und 94 sind nicht
mit den Bügeln in den benachbarten Zellen verschmolzen.
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Unter Verwendung der Gitterplatten- und Bügelanordnung der
vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von Anschlußeinrichtungen
möglich, einschließlich oberen, seitlichen oder Eckanordnungen,
die im Fachgebiet bekannt sind. Diese Möglichkeiten entstehen
durch die nicht-symmetrische Anschlußfahnenanordnung, die die
Mittellinien-Anordnung eines Satzes von Anschlußfahnen
einschließt.
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Wenn auch die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bestimmten
bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, ist sie dadurch
nicht eingeschränkt. Die Einschränkung erfolgt lediglich durch
die nachfolgenden Patentansprüche.