DE69619931T2

DE69619931T2 - Verschlossene aufladbare Batterie

Info

Publication number: DE69619931T2
Application number: DE69619931T
Authority: DE
Inventors: Shinji Hamada; Munehisa Ikoma; Hiroshi Inoue; Miho Okamoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: DE69619931D1; US5830599A; JPH09120846A; EP0773596A1; JP3175558B2; EP0773596B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gasdichte aufladbare Batterie, insbesondere eine gasdichte aufladbare Batterie, die mit einem Temperatursensor versehen ist, der die Temperatur innerhalb der Zelle misst.

Beschreibung des Stands der Technik

In jüngster Zeit sind Abgase, die von Automotoren emittiert werden, vom Standpunkt der Umweltverschmutzung von Wichtigkeit geworden. Als Gegenmaßnahme ist in größeren Ländern überall auf der Welt energisch die Entwicklung und der praktische Gebrauch von elektrischen Fahrzeugen (die im folgenden als Elektrofahrzeuge bezeichnet werden) durchgeführt worden.
Der Erfolg der praktischen Verwendung von Elektrofahrzeugen hängt von der Verfügbarkeit einer geeigneten Stromversorgungsbatterie ab, die Elektrofahrzeuge betreibt.
Die Anforderungen für Elektrofahrzeug-Batterien sind:
(1) eine hohe Energiedichte und eine kleine Größe und ein geringes Gewicht
(2) eine lange Lade/Entladezyklen-Lebensdauer und eine hohe wirtschaftliche Effizienz
(3) leichte Wartung
Ein Batteriesystem, das folglich am meisten für eine Elektrofahrzeug-Batterie verbreitet eingesetzt worden ist, ist infolge ihres vergleichsweise niedrigen Anfangspreises eine Blei- Säure-Batterie. In dieser Blei-Säure-Batterie ist das Volumen einer Elektrolytlösung knapp, so dass der durch eine Überladungsperiode erzeugte gasförmige Sauerstoff, der an der positiven Elektrode erzeugt wird, durch die negative Elektrode absorbiert wird und in ihr verschwindet, wodurch eine hermetische Abdichtung und eine leichte Wartung erleichtert wird. Jedoch sind keine bedeutenden Verbesserungen in der hohen Energiedichte und langen Zykluslebensdauer zu beobachten gewesen. Folglich haben gasdichte aufladbare Alkali-Batterien, die auf einem Nickel-Cadmium-System beruhen, das eine ausgezeichnete Ausgangskennlinie und eine lange Zykluslebensdauer aufweist, und ein Nickel-Metall-Hydridsystem, das eine hohe Ausgangsleistung und eine ebenso lange Zykluslebensdauer wie das Nickel-Cadmium-System und eine hohe Energiedichte aufweist, in jüngster Zeit Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Für Elektrofahrzeug-Batterien werden aus diesen Systemen, um die Reichweite pro Ladung praktisch zu verlängern, eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer vergleichweise großer Einzelzellen oder Modulbatterien mit einer Reihenschaltung in Monoblockstruktur von zum Beispiel einer Nennspannung von 6 V als eine zusammengebaute Batterie einer gewünschten Nennspannung und Kapazität verwendet.
Für diese Elektrofahrzeug-Batterien wird meistens ein. Batteriebehälter, der aus einem Kunststoffgehäuse und einer Abdeckung besteht, die aus Polyethylen (im folgenden als PE bezeichnet) oder Polypropylen (im folgenden als PP bezeichnet) oder dergleichen bestehen, deren Hauptbestandteil Polyolefin ist, aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen Festigkeit, wie seiner Stoßfestigkeit und Schwingungsfestigkeit, guten Chemikalienbeständigkeit, und hohen wirtschaftlichen Effizienz verwendet.
Um Wartungsvorgänge, wie ein Zuführen von Wasser zu einem Elektrolyt einzusparen, wird eine gasdichte aufladbare Batterie im allgemeinen in einer solchen Weise gestaltet und hergestellt, dass die Kapazität der negativen Elektrode größer als die Kapazität der positiven Elektrode ist, so dass in der Zeit vom Ende der Ladung zur Überladung gasförmiger Sauerstoff, der an der positiven Elektrode erzeugt wird, durch die negative Elektrode absorbiert wird und an ihr verschwindet, und folglich im Normalzustand der Innendruck nicht zu einem spezifizierten Wert ansteigt. Um eine anormale Zunahme des Zelleninnendrucks zu verhindern, ist jede Zelle mit einem Sicherheitsventil versehen.
Die Reaktion während einer Überladung, wobei gasförmiger Sauerstoff durch die negative Elektrode absorbiert wird und an ihr verschwindet, wie oben beschrieben, ist eine wärmeerzeugende Reaktion, folglich steigt die Temperatur innerhalb der Zelle. Insbesondere in einem Nickel-Metallhydridsystem, das eine wasserstoffabsorbierende Legierung für die negative Elektrode einsetzt, ist die Reaktion, wobei mittels einer Ladung Wasserstoff in der wasserstoffabsorbierende Legierung absorbiert wird, um ein Hydrid zu bilden, ebenfalls eine wärmeerzeugende Reaktion und folglich steigt die Temperatur sehr viel höher als in irgendwelchen anderen Batteriesystemen. Eine sehr viel höhere Temperatur würde die aufladbare Batterie so beeinträchtigen, dass sie sich nicht wieder erholen könnte.
Bei verschiedenen gasdichten aufladbaren Batterien werden daher verschiedene Maßnahmen ergriffen, eine Überladung nicht unbegrenzt fortzusetzen, teilweise um elektrische Energie zu sparen. Zum Beispiel in einem Blei-Säure-System wird meistens ein Konstantstrom - Konstantspannungsverfahren einegesetzt, wobei eine Ladung bei nahezu konstantem Strom ausgeführt wird, bis zu einer spezifizierten Spannung, wenn dann die Ladespannung der Zelle eine spezifizierte Spannung erreicht, wird auf eine Konstantspannungsladung umgeschaltet, wodurch ein Ladestrom gesenkt wird. Andererseits ist in einem Nickel-Cadmium- System in dem Fall einer niedrigen Rate einer Konstantstromladung, wie einer Ladung über nacht, die Wärmeerzeugung während der Ladezeit nicht so kräftig, so dass im allgemeinen eine Ladung ohne eine Steuerung eingesetzt wird. Im Fall einer Schnelladung mit einer hohen Rate, die gleich oder mehr als 1C beträgt, nimmt jedoch, wenn die Ladung fortschreitet, die Zellenspannung zu, und wenn sie in den Überladungsbereich eintritt, ist es ratsam, ein -ΔV Steuerungssystem einzusetzen, das von der Tatsache gebraucht macht, dass die erhöhte Temperatur in der Zelle, wie vorhergehend beschrieben, es zulässt, dass die Ladespannung abnimmt. In diesem Fall wird um das Ende der Ladung herum, wenn ein Spannungsabfall von etwa 5 mv/Zelle nach dem Erreichen einer Spannungsspitze beobachtet wird, die Ladung entweder bei einem Erhaltungsstrom von etwa 1/20 C fortgesetzt oder gestoppt.
In einem Nickel-Metallhydridsystem gibt es Probleme, dass die Temperatur infolge einer Überladung, mit welcher Ladungsrate auch immer, dafür sorgt, dass das wasserstoffabsorbierende Legierungspulver der negativen Elektrode oxidiert wird, wodurch ihre Wasserstoffabsorptionsfähigkeit beeinträchtigt wird und erzwungen wird, dass der Gasdruck in der Zelle durch gasförmigen Wasserstoff steigt.
Eine Überladung muss daher so gut wie möglich vermieden werden, jedoch ist unter Berücksichtigung, dass in einem Nickel-Metallhydridsystem kein deutlicher -ΔV-Effekt wie in einem Nickel-Cadmiumsystem beobachtet wird und dass selbst eine Überladung während der Wirkung des -ΔV-Steuerungssystem Anlass zu einer Beeinträchtigung gibt, ein Verfahren eingesetzt worden, dass so bald ein Temperaturanstieg abgefühlt wird, die Ladung gestoppt wird, um dadurch eine Überladung zu vermeiden. Das Verfahren, das eine Überladung durch Temperatur vermeidet, ist bisher auf andere Batteriesysteme als auch auf das Nickel-Metallhydridsystem angewendet worden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, und ist manchmal zusammen mit einem anderen Steuerungssystem angewendet worden.
Eine gasdichte aufladbare Blei-Säure-Batterie, in der ein Temperatursensor vorgesehen ist, der zur Messung von Temperaturen innerhalb der Zelle von außen in der Lage ist, um die Ladung zu steuern, ist zum Beispiel in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. Sho 63-281367 offenbart. Ihre Beschreibung beschreibt, dass der Abfühlteil eines Temperatursensors mit dem zentralen Teil einer Gruppe von Elektrodenplatten und Trennelementen oder einer Position in Kontakt gebracht wird, die in der Lage ist, eine Temperaturvariation in einer korrekten Weise zu messen, wie dem Hauptteil eines Elektrodengitters, und der Abschnitt einer Abdeckung, durch den sein Verbindungsleitungsdraht hindurch geht hermetisch abgedichtet ist. Wenn jedoch der Zellenbehälter ein Gehäuse und eine Abdeckung aufweist, die aus Kunststoff bestehen, dessen Hauptbestandteil unpolares Polyolefin, wie PE und PP ist, steht kein geeignetes Klebemittel zur Verfügung, und es ist folglich schwierig, den Zustand einer hermetischen Abdichtung für eine lange Zeit aufrechtzuerhalten.
Berücksichtigt man diese Situation, sind einige Beispiele einer gasdichten aufladbaren Nickel-Metallhydrid-Batterie, wobei ein Temperatursensor innerhalb einer einzelnen Zelle am zentralen Teil einer Modulbatterie vorgesehen ist, wobei an dieser Stelle die Temperatur innerhalb der gesamten Zelle am höchsten ist, oder an der Außenfläche des Gehäuses der einzelnen Zelle vorgesehen ist, in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. Hei 5-326024 offenbart worden, und andere Beispiele, wobei ein Temperatursensor im Elektrodenanschluss verlegt oder an der Oberseite des Elektrodenanschlusses angebracht wird, nachdem er mit einem wärmebeständigen Material abgedeckt ist, oder in der PP-Röhre abgedichtet ist, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, werden in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. Hei 6-133468 offenbart.
Im Fall, dass ein Temperatursensor an der Oberfläche des Gehäuses vorgesehen ist, obwohl der Zustand einer hermetischen Abdichtung beibehalten wird, führt die Tatsache, dass die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffgehäuses niedrig ist, zu einer langsamen Antwort auf eine Temperaturvariation innerhalb der Zelle, was eine zeitliche Nacheilung der gemessenen Werte der Temperatur zulässt.
Im Fall, dass ein Temperatursensor am Batterieanschluss befestigt ist, führt die Tatsache, dass die Metallelektrode eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, zu einer merklich schnellen Antwort auf eine Temperaturvariation, jedoch werden die gemessenen Temperaturwerte durch die Umgebungstemperatur beeinflußt. Dieser Effekt wird vermieden, indem sie mit einem wärmeisolierenden Material abdeckt wird, was jedoch ein anderes Problem verursacht, dass es die Emission von Wärme, die innerhalb der Zelle erzeugt wird, nach außen einschränkt.
Im Fall, dass ein Temperatursensor innerhalb einer PP-Röhre abgedichtet ist, die innerhalb der Zelle angeordnet ist, würde das eine gute Chemikalienbeständigkeit ergeben, weist jedoch, wie vorhergehend beschrieben, einen Nachteil auf, dass es schwierig wäre, zwischen einem Leitungsdraht, der mit dem Temperatursensor verbunden ist, und der PP-Röhre flüssigkeitsdicht abzudichten.
FR-A-2,589,008 offenbart eine aufladbare Batterie, die mit einer Ladungsüberwachungsschaltung versehen ist, die einen Temperatursensor umfasst, der sich in das Innere des Batteriegehäuses erstreckt und in Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyt steht.
US-A-2,431,945 offenbart eine aufladbare Batterie, die so gestaltet ist, dass es machbar ist, einen Thermoschalter von außerhalb der Batterie unter dem normalen Pegel des Elektrolyts anzubringen, und dass der Schalter dennoch nicht in Kontakt mit dem Elektrolyt steht. Dies wird erreicht, indem die Batterieabdeckung mit einem hohlen Glied ausgebildet ist, das sich von der Abdeckung erstreckt, das eine Aussparung oder einen Schacht zur Unterbringung des Thermoschalters bildet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine aufladbare Batterie bereit, die einen Kunststoff-Batteriebehälter umfasst, in dem angeordnet sind:
eine Elektrodengruppe mit einem ersten Rand, die eine Vielzahl abwechselnder positiver Elektrodenplatten und negativer Elektrodenplatten umfasst, wobei die positiven und die negativen Platten jeweils Zuleitungszungen aufweisen, die mit entsprechenden positiven und negativen Polen verbunden sind,
eine Vielzahl von Trennelementen, die zwischen jeder der abwechselnden positiven und negativen Elektrodenplatten und einem Volumen an Elektrolyt angeordnet sind,
wobei die Batterie des weiteren mit einem Temperatursensor versehen ist, der eine Innentemperatur der Batterie misst, dadurch gekennzeichnet, dass:
die Batterie eine gasdichte Batterie ist und der Behälter mit einem Sicherheitsventil und wenigstens einer Röhre versehen ist, die den Temperatursensor aufnimmt, wobei die Röhre ein geschlossenes zweites Ende aufweist, das zu der Elektrodengruppe hin so vorsteht, dass das geschlossene Ende mit der Elektrodengruppe in Kontakt kommt, oder so, dass der Abstand zwischen dem geschlossenen Ende der Röhre und dem ersten Rand der Elektrodengruppe nicht größer ist als 2 mm, wobei der Temperatursensor einen Temperaturmessteil aufweist, der in direktem Kontakt mit der Innenfläche des geschlossenen Endes der Röhre ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise freigelegt ist, einer erfindungsgemäßen gasdichten aufladbaren Einzelzelle.
Fig. 2 ist eine Querschnittansicht des wesentlichen Teils der Einzelzelle.
Fig. 3 zeigt die Temperaturvariation in einer Testzelle während einer Ladung mit niedriger Rate bei 25ºC.
Fig. 4 zeigt die Temperaturvariation in einer Testzelle während einer Ladung mit niedriger Rate bei 0ºC.
Fig. 5 zeigt die Temperaturvariation in einer Testzelle während einer Ladung mit niedriger Rate bei 25ºC.
Fig. 6 zeigt die Kapazitäts- und Gewichtsänderungen während Lade/Entladezyklen.
Fig. 7 zeigt die Temperaturvariationen während der Ladung als einen Parameter des Abstandes zwischen dem spitz zulaufenden Ende der Röhre und der Oberseite der Elektrodengruppe.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Eine erfindungsgemäße gasdichte aufladbare Batterie wird im Detail mit einem Nickel-Metallhydridsystem als Beispiel erläutert, wobei auf die Zeichnungen bezug genommen wird.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise freigelegt ist, einer gasdichten aufladbaren Einzelzelle 1, die auf einem erfindungsgemäßen Nickel-Metallhydridsystem beruht.
Fig. 2 ist eine Querschnittansicht des wesentlichen Teils der Einzelzelle 1.
Zuerst wird eine positive aktive Materialmischung, die hauptsächlich Nickelhydroxid enthält, in ein hochporös ausgebildetes Nickelblech gefüllt, und nach einer Trocknung wird das Blech gewalzt und geschnitten, wodurch positive Elektrodenplatten hergestellt werden, die jeweils eine Kapazität von 8 Ah aufweisen. Andererseits wird auf beide Seiten eines nickelplattierten und gelochten Stahlblechs eine Paste pastiert, die durch Mischung eines wasserstoffabsorbierendes Legierungspulvers, das durch Mm Ni3,6 Co0,7 Mn0,4 Al0,3 (Mm: Zereisen) dargestellt wird, mit einer Binderlösung hergestellt wird, und nach der Trocknung wird das Blech gewalzt und geschnitten, wodurch folglich negative Elektrodenplatten hergestellt werden, die jeweils eine Kapazität von 12 Ah aufweisen.
Jede der positiven und negative Elektrodenplatten wird in ein taschenförmiges Trennelement eingefügt, das aus nicht gewebtem PP-Faserstoff hergestellt wird. Hier sind im voraus Zuleitungszungen an die positiven und negativen Elektrodenplatten geschweißt worden. Eine Vielzahl von positiven und negativen Elektrodenplatten, die jeweils in einem Trennelement enthalten sind, werden durch Faltungen aufgeschichtet, um eine Elektrodengruppe 2 zu bilden. Zuleitungszungen 10 für die positiven und negativen Elektroden werden an nickelplattierte positive und negative Stahlpole 7 bzw. 8 angeschweißt. Diese Elektrodengruppe 2 ist ein einem rechteckigen Gehäuse 3 enthalten, das aus Kunststoff besteht, der PP als einen Hauptbestandteil enthält.
Der offene obere Randabschnitt des Gehäuses 3 wird mit dem Passabschnitt unter einer Abdeckung 4, die aus demselben Material wie das Gehäusa 3 besteht, in einer Monoblockform durch ein Thermoschmelzverfahren und dergleichen verbunden. In diesem Zustand werden die positiven und negativen Elektrodenpole 7 und 8 durch die Abdeckung 4 eingefügt, wodurch sie aneinander ausgerichtet werden. Die mechanische Festigkeit des verbundenen Teils 5 weist mindestens 95% der Festigkeit des Ausgangsmaterials auf. Hier bedeutet die Festigkeit des Ausgangsmaterials die Zugfestigkeit einer Kunststoffform, die PP als Hauptbestandteil enthält. 170 cm³ eines Elektrolyts wird über ein Durchgangsloch eingespritzt, das für ein Sicherheitsventil 9 vorgesehen ist, das am Mittelabschnitt der Abdeckung 4 angeordnet ist. Das verwendete Elektrolyt ist 40 Gramm Lithiumhydroxid-Kristall LiOH·H&sub2;O, gelöst in 1,0 Liter 27% wässeriger Kaliumhydroxidlösung. Obwohl unmittelbar nach der Einspritzung ein wenig freies Elektrolyt im unteren Teil der Zelle wahrgenommen wird, erlaubt die Entladung, die der Anfangsladung nach der Herstellung der Zelle folgt, dass das Elektrolyt in der Elektrodengruppe 2 absorbiert und eingebettet wird, wobei das freie Elektrolyt danach nicht beobachtet wird. Nach der Einspritzung sind die positiven und negativen Elektrodenpole 7 und 8 an der Abdeckung 4 in einer gasdichten und flüssigkeitsdichten Weise befestigt. Dann werden die Abdeckung 4 und das Sicherheitsventil 9, das aus demselben Material wie das Gehäuse 3 und die Abdeckung 4 besteht, miteinander durch ein Ultraschallschmelzverfahren und dergleichen verbunden, um eine hermetische Abdichtung zu vollenden, um einen Monoblock zu bilden, wobei folglich eine Einzelzelle hergestellt wird. Hier dienen die Pole 7 und 6, die über die Abdeckung 4 vorstehen, auch als Anschlüsse der positiven bzw. negativen Elektroden. Das Sicherheitsventil 9 ist ein wieder abdichtender Typ, und sein Arbeitsdruck wird im Bereich von 0,20 bis 0,78 MPa (2,0 bis 8,0 kgf·cm&supmin;²) eingestellt.
Mindestens eine Röhre 6, deren unterer Teil zur Oberseite der Elektrodengruppe 2 vorsteht, die zwischen dem Sicherheitsventil 9 und dem positiven Elektrodenpol 7 oder der negativen Elektrode 8 angeordnet ist, ist unter der Abdeckung in einer Monoblockstruktur mit der Abdeckung 4 ausgebildet. Die Röhre 6 und die Abdeckung 4 können in einer Monoblockstruktur durch Spritzguss gebildet werden, oder die offenen oberen Randabschnitte der Röhre, deren unterer Teil zuvor hergestellt wird, die aus demselben Material wie die Abdeckung 4 bestehen, und die unteren peripheren Abschnitte von durchgehenden Durchgangslöchern, die an spezifizierten Positionen der Abdeckung 4 gebohrt sind, können in einer Monoblockstruktur durch ein Ultraschallverfahren und dergleichen miteinander verbunden werden. Ein Thermistor oder ein Thermoelement wird für einen Temperatursensor verwendet, der in die Röhre 6 eingesetzt und in ihr befestigt werden soll. Um Temperaturvariationen der Elektrodengruppe zu messen, muss der temperaturempfindliche Teil eines Temperatursensors primär in die Elektrodengruppe eingesetzt und in ihr befestigt werden, die als eine Wärmequelle dient. Wenn jedoch ein Temperatursensor, der nicht mit einer elektrochemischen Reaktion verbunden ist, die durch die Ladung und Entladung verursacht wird, und der als eine Fremdsubstanz betrachtet werden könnte, in die Elektrodengruppe eingefügt wird, dann würde das zu einem Zusammenbruch der Trennelemente oder einem Fehler, wie einer uneinheitlichen Ladungs- und Entladungsreaktion führen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher, wie in Fig. 2 gezeigt, das spitz zulaufende Ende der Röhre 6, das den Boden aufweist, so nah wie möglich an den oberen Rand der Trennelemente gebracht, der ein wenig höher als der obere Rand der positiven und negativen Elektrodenplatten in der Elektrodengruppe 2 ist.
Testzellen wurden einer Anfangsladung bei einem konstanten Strom von 10 A und 25ºC, gefolgt durch eine Entladung bei einem konstanten Strom von 20 A bis 1,0 V unterzogen, dann wurden ihre Standardkapazitäten gemessen. Die Entladungskapazität der Testzellen beträgt 100 A, die durch die Kapazität der positiven Elektrode begrenzt wird. 4 Testzellen, die einer Anfangsladung gefolgt von einer vollständigen Entladung ausgesetzt wurden, wurden vorbereitet, dann wurde derselbe Thermistor mit unterschiedlichen Orten und unterschiedlichen Befestigungsverfahren verwendet, um den Unterschied der Temperaturvariation in den Testzellen zu untersuchen.
Die 4 Testzellen, die den Thermistor enthalten, sind wie folgt gestaltet:
(1) Zelle A erfindungsgemäß: die Dicke der Röhre, die den Boden aufweist, beträgt 1,0 mm, und die Außenfläche des spitz zulaufenden Endes der Röhre, die Innenfläche des spitz zulaufenden Endes von ihr, in der der temperaturempfindliche Teil eingefügt ist und an ihr befestigt ist, wird in Kontakt mit dem oberen Rand der Trennelemente in der Elektrodengruppe gebracht.
(2) Zelle B gemäß einer herkömmlichen Einrichtung: der Temperaturfühlteil ist an der Außenfläche des Gehäuses 30 mm von unterhalb der verbundenen Teils des Gehäuses und der Abdeckung entfernt befestigt.
(3) Zelle C gemäß einer weiteren herkömmlichen Einrichtung: der Temperaturfühlteil wird in den oberen Teil des positiven Elektrodenspols (Anschlusses) eingebettet.
(4) Zelle D gemäß noch einer weiteren herkömmlichen Einrichtung: benachbart der Röhre, die den Boden aufweist, und in die Richtung des positiven Elektrodenpols, wird ein Loch gebohrt, und der Temperaturfühlteil wird so befestigt, daß er in Kontakt mit dem oberen Rand der Trennelemente in der Elektrodengruppe kommt, danach wird das Durchgangsloch mit Blasbitumen abgedichtet.
Jede Zelle wurde eine Ladung mit einem konstanten Strom von 10 A für 10 h (100 Ah) bis 25ºC unterzogen. Das Messergebnis der Temperaturvariation gegen die Ladungszeit wird in Fig. 3 gezeigt.
Fig. 3 zeigt, dass die erfindungsgemäße Zelle A und Zelle D gemäß einer herkömmlichen Einrichtung eine ähnliche Temperaturzunahmekurve aufweisen, was aus der Tatsache abgeleitet wird, dass der Temperaturfühlteil in beiden Testzellen fast an derselben Position angeordnet ist. Im Gegensatz dazu zeigt die Zelle C gemäß einer herkömmlichen Einrichtung, wobei der Temperaturfühlteil in den oberen Teil des Elektrodenpols eingebettet ist, eine langsamere Temperaturzunahme, die sich vermutlich aus der Abstrahlung von Wärme durch die Wirkung der Umgebungstemperatur ergibt. Zelle B zeigt eine noch langsamere Antwort, wie es aus der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffgehäuses zu erwarten ist.
Nachdem sie vollständig entladen wurden, wurde jede Zelle bei einem konstanten Strom von 10 A und einer Temperatur von 0ºC für 10 h geladen. Die Temperaturvariation gegen die Ladungszeit wird in Fig. 4 gezeigt. Wie im Fall einer Ladung bei 25ºC, zeigt Fig. 4, dass sowohl die erfindungsgemäße Zelle A als auch die Zelle D gemäß einer herkömmlichen Einrichtung sich in einer ähnlichen Weise verhalten, jedoch Zelle C gemäß einer herkömmlichen Einrichtung keine merkliche Temperaturzunahme aufweist. Der Grund ist, dass die Umgebungstemperatur so niedrig ist, dass Wärme effizient abgestrahlt wird, daher wird geschlossen, dass die Befestigung des Temperaturfühlteils an der Außenseite der Zelle nicht geeignet ist, die Temperaturzunahme während der Ladung mit einer guten Antwort zu messen.
Ferner wurde, nachdem sie vollständig entladen wurde, jede Zelle bei 25ºC und einer hohen Rate von 100 A Konstantstrom für 0,8 h (80 Ah) geladen. Die Temperaturvariation jeder Zelle wird in Fig. 5 gezeigt. Fig. 5 zeigt, dass die Temperaturzunahme jeder Zelle schneller als im Fall einer Ladung mit niedriger Rate ist. Die Zellen A und D zeigen eine ähnliche Kurve. Die Wirkung der Umgebungstemperatur in der Zelle C als auch die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffgehäuses in Zelle B wird wie in den Fig. 3 und 4 beobachtet, daher kann verstanden werden, dass die herkömmlichen Einrichtungen, wodurch der Temperaturfühlteil an der Außenseite der Zelle befestigt wird, problematisch sind.
Die erfindungsgemäße Zelle A und die Zelle D gemäß einer herkömmlichen Einrichtung, die in den Experimenten bisher eine nahezu ähnliche Temperaturkennlinie aufwiesen, wurden einem Zykluslebensdauertest unterzogen, wobei sie wiederholt bei 25ºC und einem konstanten Strom von 20 A, entweder für 5,25 h (105 Ah) oder bis sie einen Zelleninnendruck von 0,15 MPa (1,53 Kgf cm&supmin;²) erreichten, geladen und danach bei einem konstanten Strom von 50 A bis 1,0 V entladen wurden.
Da der Arbeitsdruck des Sicherheitsventils, wie zuvor beschrieben, im Bereich von 0,20 bis 0,78 MPa festgelegt wurde, wird ein Zelleninnendruck von 0,15 MPa festgelegt, um die Situation zu vermeiden, dass das Sicherheitsventil in Betrieb ist, Gas innerhalb der Zelle dispergiert und das Elektrolyt abnimmt.
Der Zykluslebensdauertest wurde fortgesetzt, bis die Kapazität auf 60% der anfänglichen Standardkapazität von 100 Ah abnahm.
Die Kapazitäts- und Gewichtsvariationen jeder Zelle als Funktion des Ladungs-/Entladungszyklus werden in Fig. 6 gezeigt. Fig. 6 zeigt, dass die erfindungsgemäße Zelle A weniger Gewicht verliert als die Zelle D gemäß einer herkömmlichen Einrichtung und ihre Zykluslebensdauer 1000 Zyklen übertrifft, während Zelle D gemäß einer herkömmlichen Einrichtung in ihrer Kapazität abnimmt, wenn sie Gewicht verliert, und ihre Zykluslebensdauer nur 600 Zyklen beträgt. Es wird angenommen, dass die Abdichtung des Durchgangsloches der Abdeckung, das zum Einfügen des Thermistors vorgesehen ist, in der Zelle D nicht perfekt ist, und aus diesem Grund tritt selbst unterhalb des Arbeitsdruckes des Sicherheitsventils Gas auf der Zelle aus, und das Volumen des Elektrolyts nimmt ab.
Mit anderen Worten behält die erfindungsgemäße Zelle A mit ihrer einfachen Struktur den Zustand einer hermetischen Abdichtung mit einer hohen Zuverlässigkeit und für eine lange Zeit bei, wodurch die Zykluslebensdauer verlängert wird.
Als nächstes wurde eine Studie ausgeführt, die den Abstand vom spitz zulaufenden Ende der Röhre, die den Boden aufweist, die in einer Monoblockstruktur erfindungsgemäß zur Abdeckung ausgebildet ist, zum oberen Rand der Trennelemente in der Elektrodengruppe betrifft. Der Abstand wurde von 0 (in Kontakt), 1, 2 bis 3 mm variiert, und nachdem sie vollständig entladen wurden, wurden die Zellen bei 25ºC und einem konstanten Strom von 10 A für 10 h (100 Ah) geladen, und die Dicken der Röhren betrugen alle 1,0 mm. Die Temperaturvariation als Funktion des Abstandes wird in Fig. 7 gezeigt. Fig. 7 zeigt, dass so lange die Abstände nicht länger als 2 mm sind, ihre gemessenen Temperaturwerte fast gleich sind. Wenn der Abstand 3 mm beträgt, tritt eine Verzögerung der gemessenen Temperaturwerte auf, die auf eine langsame Antwort schließen lässt. Daher ist es zu verstehen, dass es zu bevorzugen ist, dass das spitz zulaufende Ende der Röhre innerhalb 2 mm vom oberen Rand der Trennelemente in der Elektrodengruppe angeordnet wird oder so nah wie möglich dazu gebracht wird.
Die Dicken der Röhren betragen bisher alle 1,0 mm, jedoch ist es im wesentlichen zu bevorzugen, dass sie so dünn wie möglich gehalten werden. Jedoch sollte diese Dicke vom Standpunkt der mechanischen Festigkeit festgelegt werden, die die Einfachheit der Handhabung bei der Herstellung und die einfache Formbarkeit der Röhre beeinflusst, und es sind mehr als 0,5 mm Dicke weniger praktisch geeignet.
Die Röhre gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wie im Detail beschrieben, in einer Monoblockstruktur zwischen dem Sicherheitsventil und den Elektrodenpolen unter der Abdeckung ausgebildet, und das spitz zulaufende Ende der Röhre wird so nah wie möglich an den mittleren oberen Rand der Elektrodengruppe gebracht, jedoch kann das spitz zulaufende Ende in direkten Kontakt mir einem starren Körper, wie Zuleitungszungen der positiven und negativen Elektroden gebracht werden, da ein solcher Körper auf keinen Fall zu einem Zusammenbruch der Trennelemente führt.
Es gab keinen bedeutenden Unterschied in den gemessenen Temperaturwerten, wenn die Röhre zwischen dem Sicherheitsventil und dem positiven Elektrodenpol oder zwischen dem Sicherheitsventil und dem negativen Elektrodepol angeordnet wurde. Eine Analyse der Temperaturverteilung in der Zelle während der Ladung und Entladung durch ein thermographisches Verfahren bestätigte, dass es keinen bedeutenden Unterschied der Temperatur zwischen den Zuleitungszungen der positiven und negativen Elektroden und dem oberen Rand der Elektrodengruppe gab. Die Wärmeerzeugung während der Ladung wird nicht durch eine elektrochemische Reaktion sondern hauptsächlich durch Joulesche Wärme des ohmschen Widerstandes erzeugt, und an diesen Meßstellen, die gerade beschrieben wurden, kann die Temperaturmessung in einer reproduzierbaren Weise ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß muss vorzugsweise ein Temperatursensor für jede Zelle vorgesehen werden. Wenn ein Temperatursensor an einer bestimmten Zelle in einer Modulbatterie oder einer zusammegebauten Batterie befestigt werden soll, muss er in einer Zelle in der mittleren Position angeordnet werden, die einer kleineren Wärmeabstrahlung unterliegt. Wenn eine spezifizierte Temperatur während der Ladung erreicht wird, muss ein Ladestrom gestoppt werden. Wenn eine spezifische Temperatur überschritten wird, soll die Zelle durch ein Luft- oder Wasserkühlungsverfahren abgekühlt werden, wodurch selbst bei einer Entladung mit einer hohen Rate wie in einem Elektrofahrzeug eine gute Zykluslebensdauer beibehalten wird und eine kontinuierliche Entladung ermöglicht wird.
Eine rechteckige gasdichte aufladbare Batterie, die auf einem Nickel-Metallhydridsystem beruht, wurde soweit im Detail beschrieben, jedoch ist die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht auf dieses Batteriesystem beschränkt, sondern umfasst auch eine gasdichte aufladbare Batterie, die einen Kunststoff-Batteriebehälter einsetzt, die zum Beispiel auf einem Nickel-Cadmiumsystem und dergleichen beruht.
Die vorliegende Erfindung kann ferner auf eine zylindrische Zelle angewendet werden, die die Elektrodengruppe auf eine solche Weise bildet, dass ein Stück einer positiven Elektrodenplatte und ein Stück einer negativen Elektrodenplatte mit einem dazwischen eingefügten Trennelement spiralförmig gerollt werden, wobei das spitz zulaufende Ende der Röhre, das den Boden unter der Abdeckung aufweist, so nah wie möglich an den mittleren oberen Rand dieser Elektrodengruppe gebracht wird, wo die Temperatur am schnellsten ansteigt.
Wie oben detailliert dargestellt, stellt die vorliegende Erfindung eine gasdichte aufladbare Batterie mit langer Lebensdauer bereit, die eine einfache Struktur aufweist, den Zustand einer hermetischen Abdichtung für eine lange Zeit und mit hoher Zuverlässigkeit beibehält und die Messung der Temperatur in der Zelle von außen mit einer guten Antwort erleichtert, wodurch die Ladung und Entladung gesteuert wird.

Claims

1. Aufladbare Batterie, die einen Kunststoff-Batteriebehälter umfasst, in dem angeordnet sind:

eine Elektrodengruppen (2) mit einem ersten Rand, die eine Vielzahl abwechselnder positiver Elektrodenplatten und negativer Elektrodenplatten umfasst, wobei die positiven und die negativen Platten jeweils Zuleitungszungen (10) aufweisen, die mit entsprechenden positiven und negativen Polen (7, 8) verbunden sind,

eine Vielzahl von Trennelementen, die zwischen jeder der abwechselnden positiven und negativen Elektrodenplatten und einem Volumen an Elektrolyt angeordnet sind,

wobei die Batterie des weiteren mit einem Temperatursensor versehen ist, der eine Innentemperatur der Batterie misst, dadurch gekennzeichnet, dass:

die Batterie eine gasdichte Batterie ist und der Behälter mit einem Sicherheitsventil (9) und wenigstens einer Röhre (6) versehen ist, die den Temperatursensor aufnimmt, wobei die Röhre (6) ein geschlossenes zweites Ende aufweist, das zu der Elektrodengruppe (2) hin so vorsteht, dass das geschlossene Ende mit der Elektrodengruppe (2) in Kontakt kommt, oder so, dass der Abstand zwischen dem geschlossenen Ende der Röhre (6) und dem ersten Rand der Elektrodengruppe (2) nicht größer ist als 2 mm, wobei der Temperatursensor einen Temperaturmessteil aufweist, der in direktem Kontakt mit der Innenfläche des geschlossenen Endes der Röhre ist.

2. Aufladbare Batterie, die einen Kunststoff-Batteriebehälter umfasst, nach Anspruch 1, wobei der Batteriebehälter ein Gehäuse (3) und eine Abdeckung (4) aufweist, die aus einem Polyolefin bestehen.

3. Aufladbare Batterie, die einen Kunststoff-Batteriebehälter umfasst, nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen oder Polypropylen handelt.

4. Aufladbare Batterie, die einen Kunststoff-Batteriebehälter umfasst, nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Röhre (6) zusammen mit der Abdeckung (4) in einer integralen Struktur ausgebildet ist.

5. Aufladbare Batterie, die einen Kunststoff-Batteriebehälter umfasst, nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Röhre (6) mit der Abdeckung (4) verbunden und axial fluchtend mit einem Loch durch die Abdeckung hindurch ist.