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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Batterieanordnungen und insbesondere Schichten
und Teile zum Isolieren und Schützen
von Metallteilen, die beim Herstellen von Batterieanordnungen Anschlüsse benachbarter
Einzelzellen elektrisch miteinander verbinden.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Anwendungen
im Automobilbereich gehören
zu den häufigsten
Einsatzgebieten wiederaufladbarer Batterien, beispielsweise Bleisäurebatterien,
und in den vergangenen Jahren wurden verschiedene Arten wiederaufladbarer
Batterien mit hoher Energiedichte, kleinen Abmessungen und geringem
Gewicht entwickelt, die in den verschiedensten Bereichen eingesetzt
werden, darüber
hinaus expandiert der Markt in hohem Maße. Typische Beispiele für diese
Anwendungen umfassen schnurlose Geräte, beispielsweise tragbare
Telefone, Notebook-Computer und Camcorder sowie Batterien zur Energieversorgung,
beispielsweise unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV)
zur Sicherung der Stromversorgung von Computern sowie elektrisch betriebener
Fahrzeuge.
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Dank
der Fortschritte im Bereich der Elektroniktechnologie verbrauchen
schnurlose Geräte
zunehmend weniger Energie, zudem wurden die Betriebsspannung und
der Ladestrom für
Batterien zur Energieversorgung reduziert. Folglich werden Batterien
aus Einzelzellen oder Batterieanordnungen mit maximal zehn Zellen
in Reihe geschaltet und als Batteriepack verwendet.
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Für Batterien
zur Energieversorgung für
einen Betrieb mit hoher Spannung und unter großer Belastung, beispielsweise
bei einer stationären
Energieversorgung für
Notfälle
und für
elektrisch betriebene Fahrzeuge, wird dagegen eine Modulbatterie
mit einer gewünschten
Nennspannung hergestellt, indem benachbarte Anschlüsse einer
Vielzahl von Einzelzellen derselben Nennkapazität durch Einrichten von Verbindungsschienen
verbunden werden, wobei jede Einzelzelle positive Elektroden und
negative Elektroden umfasst, die durch eine Trenneinrichtung voneinander
getrennt sind, die jeweils zwischen den positiven und den negativen Elektroden
angeordnet ist, und die sich in einem Batteriebehälter befinden,
der danach mit einer Menge Elektrolyt gefüllt wird. Abhängig von
der erforderlichen Nennspannung wird eine Vielzahl von derartigen
Einzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet und/oder parallel geschaltet,
um eine Batterieanordnung zu einer Modulbatterie zusammenzuschließen.
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Um
eine kleine Größe und ein
geringes Gewicht zu erzielen, werden für Modulbatterien üblicherweise Einzelblockbehälter verwendet,
um einen integrierten Zusammenbau mehrerer Einzelzellen mit derselben
Kapazität
zu ermöglichen,
und durch das Verbinden der Einzelzellen in Reihe wird eine Nennspannung
von 6 Volt oder 12 Volt erzielt. Für Batterien mit einer hohen
Nennkapazität
von mehr als 100 Ah werden entsprechend der verfügbaren Umformtechnologie und
für eine
optimale Ausnutzung des Batteriebehälters Modulbatterien und Batterieanordnungen
hergestellt, indem Einzelzellen, die in Einzelzellbehältern untergebracht
sind, zusammengefügt
und in Reihe und/oder parallel verbunden werden. Für die Verbindungsschiene
zum elektrischen Verbinden der Einzelzellen wird wegen des geringen
Ohm'schen Widerstandes
und der verhältnismäßig geringen
Kosten im Allgemeinen Kupferblech verwendet. Die Verbindungsschiene
ist an einem Paar bolzenartiger Elektrodenpole mit Gewinde befestigt,
die die Anschlüsse
benachbarter Einzelzellen bilden, und wird danach mit Muttern und
Unterlegscheiben befestigt, um die elektrische Verbindung herzustellen.
Die Oberflächen
der metallischen Verbindungsteile einschließlich Verbindungsschiene, Elektrodenpolen,
Unterlegscheiben und Muttern sind im Allgemeinen mit einem korrosionsfesten
Metall beschichtet, bei Bleisäurebatterien beispielsweise
mit Blei (Pb), bei Alkalibatterien, beispielsweise in Nickel-Cadmium-
und Nickel-Metallhydrid-Systemen, überwiegend mit Nickel (Ni)
und in einigen Fällen
mit Silber (Ag) oder Gold (Au).
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Batterien
zur Energieversorgung müssen
für den
Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen mechanische Widerstandsfähigkeit
besitzen, um Vibrationen, Erschütterungen,
Beschleunigung und dergleichen standzuhalten, dies entspricht den
Anforderungen, die an Bauteile in Automobilen gestellt werden, die
von Verbrennungsmotoren, beispielsweise herkömmlichen Benzin- und Dieselmotoren,
angetrieben werden. Diese Batterien müssen darüber hinaus nicht nur eine hohe
Energiedichte besitzen, sondern außerdem eine dauerhafte Haltbarkeit,
damit sie stets gleich bleibende Ausgangskennwerte zeigen, wenn
sie über
einen langen Zeitraum den unterschiedlichsten Temperaturen und Luftfeuchtigkeitswerten
sowie Staub, Spritzern und korrodierenden Substanzen ausgesetzt
sind. Die Metallteile, mit denen individuelle Einzelzellen elektrisch
miteinander verbunden werden, sind zwar, wie oben beschrieben, mit
korrosionsfesten Metallen beschichtet, es ist jedoch praktisch unmöglich, das
Auftreten von Nadellöchern
in der Metallschicht zu vermeiden, und gelegentlich kommt es auf
diesen Metallteilen auch zu Korrosion. Darüber hinaus werden diese Batterien über einen langen
Zeitraum hohen Temperaturen und großer Feuchtigkeit ausgesetzt,
wodurch es zu einem Elektrolytaustritt kommen kann, wenn der Elektrolyt
in einer Zelle an einem Anschluss entlang nach oben kriecht und
Aussalzungen an dem Anschluss und in seiner Umgebung verursacht.
Da elektrisch betriebene Fahrzeuge zeitweise auf schlechten, ungepflasterten
oder im Winter auf mit Frostschutzmittel behandelten Straßen fahren, kann
es vorkommen, dass Fremdkörper
in das eingebaute Gehäuse
von Batterieanordnungen gelangen und dort Verschmutzungen und Beschädigungen
der Metallteile und der Batterieoberfläche hervorrufen. An den Metallteilen
haftende und/oder an den Metallteilen und deren Umgebung entstandene
Fremdkörper
sehen nicht nur unschön
aus, sondern können
auch dazu führen,
dass Wasser aus Kondensation durch Temperaturunterschiede oder Spritzer
vom Autowaschen oder Regen zurückgehalten
werden, wodurch die Metallteile sowie die nahe gelegene obere Fläche der
Abdeckung jeder Einzelzelle nass werden und eine Flüssigkeitsbrücke entsteht.
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Die
Gesamtspannung einer Batterie für
ein elektrisch betriebenes Fahrzeug reicht von etwa 100 Volt bis
zu etwa 300 Volt und kann in einigen Fällen sogar 400 Volt erreichen.
Wenn an eine Flüssigkeitsbrücke, die
wie oben beschrieben ausgebildet wurde, eine hohe Spannung angelegt
wird, fließt
ein Kriechstrom und bewirkt eine Verringerung der Kapazität in der
Art, als hätten
sich einige der Einzelzellen in der Batterieanordnung selbst entladen.
Dies bewirkt weitere Kapazitätsschwankungen
zwischen den individuellen Einzelzellen der Batterieanordnung, wodurch
sich die Ausgangskennwerte der Batterie für ein elektrisch betriebenes
Fahrzeug verschlechtern. In einem Extremfall wurde beobachtet, dass
eine Einzelzelle mit verringerter Kapazität am Ende der Entladung zu
einer Polaritätsumkehr
führte,
wodurch sich Gas entwickelte und eine unrettbare Zerstörung verursacht
wurde. Ist der erzeugte Kriechstrom hoch, besteht durch die Erzeugung von
Wärme oder
Entzündung
außerdem
Brandgefahr. Daher wurde es notwendig, die Oberflächen von
Batterieanordnungen für
elektrisch betriebene Fahrzeuge regelmäßig zu reinigen und Fremdkörper zu
entfernen, und die Wartung war sehr aufwendig.
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1 zeigt
eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer Einzelzelle eines
Nickel-Metallhydrid-Systems,
das eine prismatische, versiegelte, alkalische Sekundärbatterie
für elektrisch
betriebene Fahrzeuge bildet. In 1 ist eine
Elektrodengruppe 5 aus einer Vielzahl von positiven Platten
und negativen Platten aufgebaut, die abwechselnd und mit einer Trenneinrichtung
aus hydrophil behandeltem Nonwoven-Polypropylen zwischen jeder der
positiven und negativen Platten geschichtet wurden. Die positiven
Platten werden vorbereitet, indem ein Nickelblech hoher Porosität mit einer
Paste aus einem aktiven Material, das hauptsächlich aus Nickelhydroxid besteht,
gefüllt
und danach getrocknet und gepresst wird. Die negativen Platten werden
vorbereitet, indem beide Seiten eines nickelplattierten und perforierten
Stahlbleches mit einer Paste beschichtet werden, die hauptsächlich aus
einer wasserstoffabsorbierenden Paste aus einem Legierungspulver der
MmNi5-Gruppe (Mm: Mischmetall) besteht,
und danach wird das Blech getrocknet und gepresst. Die Bleiplatten 5a der
positiven und negativen Platten sind jeweils verbunden und durch
Anschweißen
an den unteren Teil der Basis 2a von einem Paar der Elektrodenpole 2 befestigt.
Nach dem Anbringen eines O-förmigen
Ringes 3 an jedem der Elektrodenpole 2 und dem
Befestigen auf der oberen Fläche
der Basis 2a wird ein Paar Elektrodenpole 2 durch
die Anschlusslöcher
(in der Zeichnung nicht dargestellt) einer Kunststoffabdeckung 1 eingefügt, die
hauptsächlich
aus Polypropylen besteht, danach werden die Befestigungsscheiben 4 durch Presspassung
auf der oberen Fläche
der Abdeckung 1 befestigt, wodurch die O-förmigen Ringe 3 durch
Druckdeformation unter der Bodenfläche der Abdeckung 1 flüssigkeitsdicht
und luftdicht zusammengepresst werden. Die Elektrodengruppe 5,
die an der Abdeckung 1 befestigt ist, wird in einen Zellenbehälter 6,
der aus demselben Material besteht wie die Abdeckung 1,
eingefügt
und von diesem aufgenommen. Die untere Kante der Abdeckung 1 und
die obere, offene Kante des Zellenbehälters 6 werden thermisch
oder durch Ultraschall flüssigkeitsdicht
und luftdicht miteinander verschweißt. Die Vorbereitung einer
Einzelzelle wird abgeschlossen, indem eine vorgegebene Menge einer
alkalischen Elektrolytlösung,
die hauptsächlich
aus Kaliumhydroxid besteht, eingefüllt, die Elektrodengruppe 5 damit
durchtränkt
und ein luftdichtes Sicherheitsventil 7 bereitgestellt wird.
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Beim
Herstellen einer Modulbatterie mit 6 Volt oder 12 Volt werden 5
oder 10 Einzelzellen, wie oben aufgeführt, vorbereitet und, da sie
dieselbe Nennkapazität
besitzen, elektrisch in Reihe geschaltet, indem benachbarte Anschlüsse von
Einzelzellen durch Verbindungsschienen miteinander verbunden werden.
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2 zeigt
eine Teilschnittdarstellung eines Beispiels eines herkömmlichen
Verfahrens zum elektrischen Verbinden der Anschlüsse benachbarter Einzelzellen
in Reihe. In 2 wird eine Verbindungsschiene 8 aus
vernickeltem Kupferblech durch Presspassung an den Elektrodenpolen 2 entgegengesetzter
Polarität befestigt,
die mit den Befestigungsscheiben 4 befestigt wurden und
von der oberen Fläche
von jeder der Abdeckungen 1 nach oben weisen, und durch
Festschrauben mit Muttern 2b und Unterlegscheiben 2c gesichert, wodurch
die elektrische Verbindung vollständig hergestellt wird. Herkömmlicherweise
wurden Metallteile für elektrische
Verbindungen und die obere Fläche
der Abdeckungen 1 mit einer Schutzabdeckung 12 aus
Kunststoff oder synthetischem Kautschuk abgedeckt. Diese Schutzabdeckung 12 war
zwar wirkungsvoll beim Verhindern eines Kurzschlusses zwischen den
Anschlüssen
auf der oberen Fläche
der Batterie, sie war jedoch nicht hinreichend luftdicht und konnte
die Umgebungsluft nicht vollständig
von der Batterie fernhalten, wodurch das Eindringen und Festsetzen
von Fremdkörpern,
wie beispielsweise Staub und Spritzern, möglich war. Folglich traten
auch weiterhin Kriechströme
durch Flüssigkeitsbrücken an
den Anschlüssen
und in ihrer Umgebung auf, die ein regelmäßiges Reinigen erforderten,
und auch die Wartungsprobleme waren nach wie vor ungelöst.
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Das
Patent US-A-4.156.552 offenbart eine Bauart für die Verbindung von Zellen
in einer Batterieanordnung mit Stromverteilerschienen, die über eine
Isolation verfügen,
die so geformt ist, dass sie die oberen Enden der Anschlüsse der
Zellen bedeckt. Das Abdichten wird erreicht, indem verbindende Flanken
der Isolation hervorstehen, die über
den Seiten der Anschlüsse
anliegen.
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Mit
dieser Erfindung sollen Korrosion und Flüssigkeitsbrücken während des Benutzens von Hochspannungs-Batterieanordnungen
selbst unter harten Bedingungen und über einen langen Zeitraum verhindert
werden, wie beispielsweise bei Batterien für elektrisch betriebene Fahrzeuge,
indem die Umgebungsluft durch eine einfache Einrichtung und eine
einfache Konstruktion von den die Anschlüsse von Einzelzellen verbindenden
Me tallteilen und deren Umgebung ferngehalten wird, wodurch stabile
Ausgangskennwerte und auf Grund der niedrigeren Wartungsbelastung
ein hoher wirtschaftlicher Nutzen erzielt werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieanordnung, wie in Anspruch
1 definiert. Mit dieser Maßnahme
können
Batterieanordnungen hergestellt werden, die nur eine minimale Wartung
erfordern und eine hohe Zuverlässigkeit
bieten, da die Kondensation von Feuchtigkeit und die daraus resultierende
Korrosion dadurch vermieden werden, dass die Metallteile für die elektrische
Verbindung und ihre Umgebung von der Umgebungsluft abgeschlossen
werden, wodurch die Verringerung der Kapazität durch Kriechströme, die
durch Flüssigkeitsbrücken an
der elektrischen Verbindung hervorgerufen wurden, verhindert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer prismatischen,
versiegelten, alkalischen Sekundärbatterie
eines Nickel-Metallhydrid-Systems für elektrisch betriebene Fahrzeuge,
die in der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann.
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2 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen
elektrischen Verbindung zum Verbinden der Anschlüsse benachbarter Einzelzellen.
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3 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung der elektrischen Verbindung
zum Verbinden der Anschlüsse
benachbarter Einzelzellen in einer ersten beispielhaften Bauart.
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4 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung derselben in einer
zweiten Bauart.
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5 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung derselben in einer
dritten Bauart.
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6 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung derselben in einer
vierten Bauart.
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7 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung derselben in einer
fünften
Bauart, die ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist.
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8 zeigt
eine perspektivische Darstellung einer mit einer Isolierschutzschicht
bereitgestellten Verbindungsschiene in einer sechsten Bauart.
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9 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung der elektrischen Verbindung
zum Verbinden der Anschlüsse
benachbarter Einzelzellen in der sechsten Bauart.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnungen
erläutert,
dazu wird als Beispiel eine prismatische, versiegelte, alkalische
Sekundärbatterie
eines Nickel-Metallhydrid-Systems für elektrisch betriebene Fahrzeuge,
wie in 1 gezeigt, herangezogen. In der folgenden Beschreibung
sind die erste bis vierte sowie die sechste Bauart nicht Teil der
Erfindung, sie wurden jedoch berücksichtigt,
um dem Verständnis
der Erfindung zu dienen.
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Erste Bauart
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3 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung einer elektrischen
Verbindung zum Verbinden der Anschlüsse benachbarter Einzelzellen
in Reihe in der ersten beispielhaften Bauart.
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In 3 ist
eine Verbindungsschiene 8 aus vernickeltem Kupferblech
durch Presspassung an einem Paar von Elektrodenpolen 2 entgegengesetzter
Polarität
benachbarter Einzelzellen befestigt, sie ragt von den Abdeckungen 1 nach
oben und ist mit Befestigungsscheiben 4 gesichert. Die
Verbindungsschiene 8 besitzt mindestens ein Durchloch 8a,
und beide Oberflächen
sind, mit Ausnahme der elektrischen Verbindung, mit einem Isolierschutz 9 versehen,
der aus einer Chloropren-Kautschukschicht besteht. Der Isolierschutz 9 wird
zusammen mit der Verbindungsschiene 8 mit einem Formwerkzeug
in einen Körper
geformt und danach vulkanisiert, so dass der Körper eine Shore-Härte von
70 erreicht. Das Durchloch 8a der Verbindungsschiene 8 wird bereitgestellt,
um wäh rend
des Formens in einen Körper
ein einfaches Fließen
des Chloropren-Kautschuks auf beide Seiten der Verbindungsschiene 8 zu
ermöglichen,
es wird zum Formen des Isolierschutzes 9 verwendet. In
dieser Bauart besitzt der Isolierschutz 9 röhrenförmige Auskragungen 9a,
die in einen Körper
geformt sind, an deren oberen, offenen Enden ringförmige Kanten 9b bereitgestellt
sind, Nuten 9c umschließen beide Enden der Verbindungsschiene 8.
Wird die Verbindungsschiene 8 mit den Muttern 2b und
den Unterlegscheiben 2c befestigt, wird eine elektrische
Verbindung hergestellt, wobei Flüssigkeitsdichtigkeit
und Luftdichtigkeit sichergestellt werden, da die Bodenflächen 9d der
röhrenförmigen Auskragungen 9a des
Isolierschutzes 9 gegen die oberen Flächen der Abdeckungen 1 gepresst
werden. Danach werden mit Hilfe der ringförmigen Kanten 9b Schutzkappen 10 über die
oberen, offenen Enden der röhrenförmigen Auskragungen 9a eingerastet,
wodurch die Umgebungsluft von den Verbindungsmetallteilen und deren
Umgebung abgeschlossen wird. In dieser Bauart bestehen die Schutzkappen 10 aus
Chloropren-Kautschuk ähnlich
dem des Isolierschutzes 9. Das Aufsetzen der Kappen über die
röhrenförmigen Auskragungen 9a ist
einfacher, wenn die Schutzkappen 10 eine geringere Shore-Härte besitzen
als der Isolierschutz 9, beispielsweise Shore-Härte 50.
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Obwohl
der Isolierschutz 9 und die Schutzkappen 10 zum
Abschließen
der Umgebungsluft von den elektrischen Verbindungsmetallteilen und
deren Umgebung aus Chloropren-Kautschuk
bestehen, ist es in dieser ersten Bauart möglich, dasselbe Ziel zu erreichen,
indem mindestens eine Materialart aus der Kautschuk-Materialgruppe
ausgewählt
wird, diese umfasst unter anderem Naturkautschuk, Styrenkautschuk,
Butadienkautschuk, Butylkautschuk, Nitrilkautschuk, Copolymere der
Ethylen-Propylen-Gruppe chlorierten Kautschuk, Acrylkautschuk, Silikonkautschuk
und Fluorkautschuk.
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Zweite Bauart
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4 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung einer elektrischen
Verbindung zum Verbinden der Anschlüsse benachbarter Einzelzellen
in Reihe in der zweiten exemplarischen Bauart. Die 3 und 4 sind
dieselben Zeichnungen und verfügen über dieselbe
Anzahl sowie dieselben Benennungen der Bauteile, mit der Ausnahme
des Materials des Isolierschutzes 9. In der zweiten Bauart
besteht der Isolierschutz 9 aus Kunstharz, das wie die
Abdeckung 1 jeder Einzelzelle hauptsächlich aus Polypropy len besteht.
Um die Luftdichtigkeit sicherzustellen, wurden die Bodenfläche 9d des
Isolierschutzes 9 und die obere Fläche der Abdeckung 1 entweder
durch Erhitzen oder durch ein Ultraschallverfahren miteinander verschmolzen.
Für die Schutzkappen 10 wird
ein Polypropylen-Kunststoff verwendet, dessen Härte geringer ist als die der
Isolierschutzschicht. Für
die Schutzkappen 10 kann nicht nur Polypropylen, sondern
auch Polyethylen-Kunststoff und Kautschuk verwendet werden, wie
in der ersten Bauart vorgeschlagen.
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Dritte Bauart
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5 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung der elektrischen Verbindung
zum Verbinden der Anschlüsse
benachbarter Einzelzellen in der dritten beispielhaften Bauart. 5 ist
mit den 3 bis 4 nahezu
identisch, sie verfügt über dieselbe
Nummerierung und Benennung mit Ausnahme der Position von Nut 1a auf
der oberen Fläche
der Abdeckung 1 einer Einzelzelle, an der das untere Ende 9d des
Isolierschutzes 9 durch Presspassung befestigt ist. In
dieser dritten Bauart wurde der Isolierschutz 9 aus Polypropylen-Kunststoff
hergestellt. In der dritten Bauart wird die elektrische Verbindung
wie in der ersten und der zweiten Bauart durch Befestigen einer
Verbindungsschiene 8, die durch Presspassung an einem Paar
Elektrodenpole 2 entgegengesetzter Polarität benachbarter
Einzelzellen befestigt ist, mit Muttern 2b und Unterlegscheiben 2c hergestellt,
während
gleichzeitig die Luftdichtigkeit durch die Presspassung des unteren
Endes 9d des Isolierschutzes 9 in der Nut 1a,
die auf der oberen Fläche
der Abdeckung 1 jeder Einzelzelle bereitgestellt ist, sichergestellt
wird. Die Schutzkappen 10 werden aus einem Material hergestellt,
das aus den in der zweiten Bauart vorgeschlagenen Materialien ausgewählt wurde.
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Vierte Bauart
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6 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung der elektrischen Verbindung
zum Verbinden der Anschlüsse
benachbarter Einzelzellen in Reihe in der vierten beispielhaften
Bauart. 6 ist mit den 3 bis 5 nahezu
identisch, sie verfügt über dieselbe
Nummerierung und Benennung mit Ausnahme der Position von Nut 1a auf
der oberen Fläche
der Abdeckung 1 jeder Einzelzelle, um ein Klebe-Dichtmittel 11 aufzunehmen.
In dieser Bauart besteht der Isolierschutz 9 aus Acrylnitril-Butadien-Styren- Copolymer-Kunststoff. Darüber hinaus
wird die elektrische Verbindung in dieser vierten Bauart, ebenso
wie in der dritten Bauart, durch Befestigen einer Verbindungsschiene 8,
die durch Presspassung an einem Paar Elektrodenpole 2 entgegengesetzter
Polarität
benachbarter Einzelzellen befestigt ist, mit Hilfe von Muttern 2b und
Unterlegscheiben 2c sichergestellt, während gleichzeitig die Luftdichtigkeit
gesichert wird, indem das untere Ende 9d des Isolierschutzes 9 in
das Klebe-Dichtmittel 11 eingebettet wird, das im Voraus
in der Nut 1a auf der oberen Fläche der Abdeckung 1 jeder
Einzelzelle bereitgestellt wurde, wodurch der Isolierschutz 9 und
die Abdeckung 1 durch Bonding miteinander verbunden werden.
Als Material für
das Klebe-Dichtmittel kann eine Mischung aus Schaumasphalt, Mineralöl und einem
Lösungsmittel
verwendet werden, nachdem der größte Teil
des Lösungsmittels
verdampft ist; darüber
hinaus kann auch ein Klebemittel verwendet werden, das auf synthetischem
Kautschuk oder auf synthetischem Kautschuk und einem Zusatz von
Epoxidharz basiert. In dieser vierten Bauart wird Acrylnitril-Butadien-Styren-Copolymer-Kunststoff
verwendet, der sich von dem Material unterscheidet, das für den Zellenbehälter 6 und
die Abdeckung 1 der Einzelzellen verwendet wird, es können jedoch
auch andere synthetische Kunststoffe verwendet werden, beispielsweise
Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyren, Acrylnitril-Styren-Copolymer, Phenylen-Ether-Styren-Copolymer,
Polyamid und dergleichen.
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Das
Material für
die Schutzkappen 10 kann aus den in der zweiten Bauart
vorgeschlagenen Materialien ausgewählt werden.
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Fünfte Bauart (Ausführungsbeispiel
der Erfindung)
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7 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung der elektrischen Verbindung
zum Verbinden der Anschlüsse
benachbarter Einzelzellen in Reihe in der fünften Bauart in Übereinstimmung
mit der Erfindung. 7 ist mit den 3 bis 6 nahezu
identisch, sie verfügt über dieselbe
Nummerierung und Benennung mit Ausnahme des Vorhandenseins des aus
Kautschuk hergestellten Dichtrings 13 zwischen der oberen
Fläche
der Abdeckung 1 und dem Isolierschutz 9 jeder
Einzelzelle. In diesem Ausführungsbeispiel kann
das Material für
den Isolierschutz 9 aus den verschiedenen synthetischen
Kunststoffen ausgewählt
werden, die in dem vierten Ausführungsbeispiel
vorgeschlagen werden. Für
den Dichtring 13 kann ein Material aus den verschiedenen
Kautschuk-Materialien
ausgewählt
werden, die für
den Isolierschutz 9 vorgeschlagen wurden. Für die Schutzkappe 10 kann
ein Material aus den Materialien ausgewählt werden, die in der zweiten
Bauart vorgeschlagen wurden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird ebenso wie bei der ersten, dritten und vierten beispielhaften
Bauart eine elektrische Verbindung durch Befestigen einer Verbindungsschiene 8,
die durch Presspassung an einem Paar Elektrodenpole 2 entgegengesetzter
Polarität
benachbarter Einzelzellen befestigt ist, mit Muttern 2b und
Unterlegscheiben 2c hergestellt, während gleichzeitig die Luftdichtigkeit
und Flüssigkeitsdichtigkeit
zwischen dem Isolierschutz 9 und der Abdeckung 1 jeder
Einzelzelle durch Druckdeformation des Kautschuk-Dichtringes 13 sichergestellt
wird, der entweder im Voraus auf der oberen Fläche der Abdeckung 1 jeder Einzelzelle
angebracht oder im Voraus mit einem Klebemittel oder durch Ausformen
mit Zweikomponentenharz auf der Bodenfläche 9d des Isolierschutzes 9 bereitgestellt
wurde. Der Zusammenbau wird einfacher, wenn der Dichtring 13 im
Voraus entweder auf die Bodenfläche 9d des
Isolierschutzes 9 oder auf die oberen Flächen der
Abdeckung 1 aufgeklebt wird. Ein weiteres effizientes Verfahren
ist das Bereitstellen einer Nut 1a auf der oberen Fläche der
Abdeckung 1 und das Einpassen eines O-förmigen Dichtringes 13 in
die Nut, wie in 6 gezeigt.
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Sechste Bauart
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8 zeigt
eine perspektivische Darstellung einer Verbindungsschiene in der
sechsten beispielhaften Bauart. In 8 wird die
aus vernickeltem Kupferblech hergestellte Verbindungsschiene 8 mit
einer Isolierschutzschicht 9 versehen, die mit Ausnahme
des elektrischen Verbindungsteils 8c in der Umgebung der
Anschlusslöcher 8b an
beiden, durch Presspassung an den Elektrodenpolen benachbarter Einzelzellen
befestigten Enden aus Kautschuk, synthetischem Kautschuk oder Kunstharz
besteht und durch Formen in einen Körper oder einen vergleichbaren
Prozess hergestellt wird. Durch das Bereitstellen eines Durchloches 8a im
Voraus, wie in 9 gezeigt, kann das Ausbilden
der Isolierschutzschicht 9 auf beiden Seiten der Verbindungsschiene 8 effizient
durchgeführt
werden.
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9 zeigt
eine fragmentarische Querschnittsdarstellung der elektrischen Verbindung
zum Verbinden der Anschlüsse
benachbarter Einzelzellen in Reihe in der sechsten Bauart.
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In 9 werden
die Anschlusslöcher 8b an
beiden Enden der Verbindungsschiene 8, die mit Ausnahme
der Teile an den Enden für
die elektrische Verbindung mit einer Isolierschutzschicht 9 bereitgestellt
wird, durch Presspassung an einem Paar Elektrodenpole 2 entgegengesetzter
Polarität
benachbarter Einzelzellen befestigt. Die Verbindungsschiene 8 wird
dann mit Muttern 2b und Unterlegscheiben 2c befestigt,
um eine elektrische Verbindung vollständig herzustellen. Die Metallteile
für die
elektrische Verbindung werden danach mit einem Isolieranstrich 14 beschichtet,
der hauptsächlich
aus synthetischem Kautschuk oder Kunstharz besteht, um die frei
liegenden Teile vollständig
abzudecken. Obwohl in dieser sechsten Bauart die auf beiden Seiten
der Verbindungsschiene 8 bereitgestellte Isolierschutzschicht 9 durch
Formen in einen Körper
ausgebildet wurde, kann sie auch durch Beschichten mit Isolierfarbe
ausgebildet werden.
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Danach
werden zehn Zellen einer prismatischen, versiegelten, alkalischen
Sekundärbatterie
eines Nickel-Metallhydrid-Systems mit einer Nennkapazität von 100
Ah und einer gleichförmigen,
praktischen Kapazität
von ±0,1
Ah vorbereitet und anschließend
zu Batterieanordnungen zusammengefasst, die aus Modulbatterien mit
einer Nennspannung von jeweils 12 Volt bestehen, indem sie gemäß der ersten
bis sechsten Bauart (einschließlich
des Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung) und des herkömmlichen in 2 gezeigten
Verfahrens durch Schalten in Reihe miteinander verbunden werden.
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Nachdem
diese Modulbatterien voll aufgeladen wurden, wurde ihre Kapazität gemessen
und sie wurden erneut vollständig
aufgeladen und in Übereinstimmung
mit der japanischen Industrienorm JIS Z 2371 einem Neutralsalz-Sprühtest unterzogen.
In dem Test wurden die Modulbatterien über einen Zeitraum von 500 Stunden
mit einer wässrigen
Lösung
eines neutralen Salzes mit einer Salzkonzentration von 5 ± 0,5 Gewichtsprozent
(spezifisches Gewicht bei 35 °C
zwischen 1,0259 und 1,0329) besprüht, die vorbereitet wurde,
indem Natriumchlorid (NaCl) in deionisiertem Wasser gelöst wurde,
danach wurden die individuellen Einzelzellen, aus denen die Modulbatterien
bestehen, in einer Sichtprüfung
auf Korrosion überprüft.
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Nach
dem Neutralsalz-Sprühtest
wurden die Modulbatterien über
einen Zeitraum von einem Monat einer Temperatur von 45 °C ausgesetzt,
anschließend
wurde die verbleibende Kapazität
jeder Einzelzelle der Modulbatterien gemessen. Die Kapazität jeder Einzelzelle
wurde bei demselben Lade- und Entladeverhältnis von 0,2 c (20 A) gemessen.
In Tabelle 1 werden die erhaltenen Ergebnisse zusammengefasst.
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Bei
Modulbatterien, die in Übereinstimmung
mit dem Beispiel aus 2 hergestellt wurden, entstand durch
den Neutralsalz-Sprühtest
Korrosion an den Metallteilen, die die Anschlüsse benachbarter Einzelzellen verbinden,
wodurch nach der Lagerung bei hoher Temperatur nicht nur große Schwankungen
der verbleibenden prozentualen Kapazität, sondern auch verhältnismäßig geringere
Werte auftraten, wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist. An den Modulbatterien
der ersten bis sechsten Bauart hingegen war selbst nach dem Neutralsalz-Sprühtest keinerlei
Korrosion an den Metallteilen für
die elektrische Verbindung zu erkennen, weil die Metallteile, die
die Einzelzellen elektrisch verbinden, und deren Umgebung von der
Umgebungsluft direkt durch eine Isolierschutzschicht oder indirekt
durch einen Isolierschutz und Bauteile abgeschlossen waren. Die
verbleibende prozentuale Kapazität
nach dem Neutralsalz-Sprühtest
und der Lagerung bei einer hohen Temperatur betrug mindestens 75
%, die Schwankungen der Kapazität
waren eben falls minimal. Basierend auf einer verbleibenden prozentualen
Kapazität
von mindestens 75 % der Einzelzellen der versiegelten, alkalischen
Sekundärbatterie
des Nickel-Metallhydrid-Systems,
die in diesem Experiment verwendet wurde, kann nach einer Lagerung über einen
Monat bei 45 °C
eingeschätzt
werden, dass in der Batterieanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
keinerlei schleichende Entladung stattgefunden hat.
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Wie
oben beschrieben, wurde bestätigt,
dass mit dieser Erfindung die Korrosion von Metallteilen verhindert
und gleichzeitig die Kapazitätsschwankungen
durch Kriechströme
individueller Einzelzellen, aus denen die Batterieanordnung besteht,
vermieden werden können,
indem die gesamte Oberfläche
der Metallteile, die benachbarte Einzelzellen elektrisch verbinden,
durch direktes Abdecken mit einer Isolierschutzschicht von der Umgebungsluft
abgeschlossen wird, oder, indem die Metallteile für die elektrische
Verbindung und deren Umgebung durch direktes oder indirektes Abdecken
mit einer Isolierschutzschicht und Schutzteilen von der Umgebungsluft
abgeschlossen werden. Folglich ist die bisher erforderliche Wartungsarbeit
des periodischen Reinigens der Metallteile, die die Anschlüsse benachbarter
Einzelzellen elektrisch verbinden, und deren Umgebung nun nahezu
unnötig
geworden.
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Selbstverständlich ist
eine anwendbare elektrische Verbindung nicht auf eine Reihenverbindung
begrenzt, sondern umfasst auch eine Parallelverbindung.
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In
einigen der erläuterten
Bauarten wurde eine Verbindungsschiene gezeigt, die mindestens ein Durchloch
besitzt, das zum Bereitstellen einer Isolierschutzschicht auf beiden
Seiten dient, die aus Naturkautschuk, synthetischem Kautschuk oder
Kunstharz besteht und durch Formen in einen Körper hergestellt wurde. Ist
jedoch die Verbindungsschiene groß, ist es effizienter, mehr
als ein Durchloch in einer Reihe herzustellen.
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Obwohl
in der voranstehenden Beschreibung eine prismatische, versiegelte,
alkalische Sekundärbatterie
eines Nickel-Metallhydrid-Systems ausführlich beschrieben wurde, ist
diese Erfindung nicht auf Batteriesysteme dieser Art begrenzt.
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Als
Beispiel wurde ein Zellenbehälter
aus Kunstharz eingeführt,
diese Erfindung kann jedoch offensichtlich auch auf Modulbatterien
und Batterieanordnungen angewendet werden, die aus Einzelzellen
in Metall-Zellenbehältern,
prismatischen und zylindrischen Zellenbehältern sowie röhrenförmigen Zellenbehältern mit
einem ovalen Querschnitt bestehen.
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Wie
ausführlich
erläutert
wurde, ermöglicht
diese Erfindung nicht nur, durch einfache Mittel und eine einfache
Konstruktion eine Korrosion der Metallteile für die elektrische Verbindung
zwischen den Anschlüssen benachbarter
Einzelzellen zu vermeiden, sondern sie ermöglicht es darüber hinaus,
Kapazitätsschwankungen der
individuellen Einzelzellen der Batterieanordnung durch Kriechströme, die
aus einer Flüssigkeitsbrücke zwischen
den Metallteilen und ihrer Umgebung resultieren, vollständig zu
verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung verhindert nicht nur eine Verschlechterung
der Ausgangskennwerte von Batterieanordnungen für elektrisch betriebene Fahrzeuge,
die unter harten Bedingungen und bei einer hohen Spannung über einen
langen Zeitraum hinweg genutzt werden sollen, sondern sie bietet
darüber
hinaus besonders zuverlässige
Batterieanordnungen mit erheblich verringerter Wartungsbelastung.
