DE69823156T2

DE69823156T2 - Verschlossene monoblock Batterie mit Kühlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69823156T2
Application number: DE1998623156
Authority: DE
Inventors: Roelof Verhoog; Jean-Loup Barbotin
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: JPH11273752A; EP0933830B1; US5985483A; FR2774215B1; FR2774215A1; EP0933830A1; DE69823156D1

Description

Die Erfindung betrifft eine verschlossene Monoblock-Akkumulatorbatterie mit einer Kühlungsvorrichtung durch ein zirkulierendes Fluid.
Eine Akkumulatorbatterie des Monoblock-Typs besitzt nur einen Behälter, im Allgemeinen aus Kunststoff und in Prismenform, der aus einem Kasten und einem Deckel besteht. Der Kasten weist Kammern auf, die durch Zwischenwände voneinander getrennt sind und in denen die Akkumulatorzellen untergebracht sind. Jede Zelle ist ein elektrochemisches Bündel, das aus einem Verband abwechselnd positiver und negativer Elektroden besteht, die voneinander durch eine Scheidewand getrennt sind und in einem Elektrolytbad stehen. Diese Batterien haben Leistungen zwischen 5 Ah und 250 Ah und eine massebezogene Energie von mindestens 55 Wh/kg. Sie werden insbesondere für die Stromversorgung von Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Es ist bekannt, dass die verschiedenen Nutzungszustände einer Akkumulatorbatterie (Laden, Überladung, Entladen) zu Temperaturerhöhungen führen, welche ihre Leistungen verändern. Eine Monoblock-Batterie mit einer Kühlungsvorrichtung durch ein zirkulierendes Fluid wird in der europäischen Patentanmeldung EP-0 596 778 beschrieben. Die Kühlungsvorrichtung weist zwei Wandscheiben auf, die dicht schließend jeweils an zwei entgegengesetzten Wänden des Kunststoffkastens angeschweißt sind. Jede der Wandscheiben definiert mit der entsprechenden Wand einen Zirkulationsraum, der in seinem oberen Teil eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für das Fluid aufweist, die sich im Deckel der Batterie befinden. Eine Vielzahl von vertikalen Rippen bildet in diesem Raum Hindernisse für die Zirkulation des Fluids. Damit die Wärme wirksam abgeführt werden kann, sind die Wände des Kastens, welche die Wandscheiben tragen, sehr dünn (2 mm).
Der maximale Betriebsdruck der Monoblock-Batterie wird durch den Öffnungsdruck eines Ventils festgelegt. Wenn der maximale Druck höchstens gleich 1 Bar relativ ist (Druckdifferenz gegenüber dem Atmosphärendruck), erfolgt die Öffnung des Ventils in regelmäßigen Abständen. Die Gase entweichen und führen so zu einem Verbrauch des Wassers des Elektrolyten. Die Batterie erfordert daher eine regelmäßige Wartung, das heißt, man muss häufig Wasser nachfüllen. Diese Batterie wird als "offen" bezeichnet. Um das Auffüllen des Elektrolyten nach den Betriebsperioden zu vermeiden, hat man sogenannte "verschlossene" Batterien entwickelt, die bei einem relativen Druck von mehr als einem Bar relativ arbeiten.
Die im französischen Patent Nr. 2 697 678 beschriebene Kühlungsvorrichtung erweist sich im Fall einer verschlossenen Monoblock-Batterie als nicht verwendbar, denn aufgrund der geringen Wandstärke ist der Behälter nicht in der Lage, einem Innendruck standzuhalten, der 1 Bar relativ übersteigt. Eine erste Lösung besteht darin, die Stärke der Seitenwände zu erhöhen, um ihre Festigkeit zu steigern, doch die Kühlung erfolgt dann nicht mehr mit dem erforderlichen Wirkungsgrad, was zu einem Abfall der Leistungen und einer Verkürzung der Lebensdauer führt. Bei einer anderen Lösung mit gleicher Wandstärke kann man die Breite der Kammern verringern, um die Trennwände einander anzunähern. Die elektrochemischen Bündel, die nun in sie gesetzt werden, weisen weniger Elektroden auf, und infolgedessen besitzt die Batterie eine geringere Leistung.
Im Übrigen erhöhen die anderen gekannten Kühlungsvorrichtungen den Platzbedarf der Batterie.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine verschlossene Monoblock-Batterie vorzuschlagen, die mit einer wirkungsvollen und nur wenig Platz beanspruchenden Kühlungsvorrichtung ausgerüstet ist, wobei die Wandstärke des Kastens höchstens gleich 2,5 mm ist und so die Wirksamkeit der Kühlung begünstigt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine verschlossene Monoblock-Batterie, die einen aus einem Deckel und einem Kasten bestehenden Kunststoffbehälter aufweist, der durch mindestens eine Zwischenwand in Kammern unterteilt ist, wobei die Batterie mit einer Kühlungsvorrichtung ausgerüstet ist, die zwei Wandscheiben aus Kunststoff aufweist, welche jeweils mit der Außenseite von zwei gegenüberliegenden Wänden des Kastens zusammenwirken, die zu der genannten Zwischenwand senkrecht stehen, wobei die Wand scheibe mit der Wand einen Raum definiert, der eine Vielzahl von Rippen aufweist, die Hindernisse für die Zirkulation des Fluids darstellen, sowie eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für das Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung jeder dieser Rippen zur Ebene der Zwischenwand einen Winkel von 60° bis 90° bildet.
Nicht alle Rippen bilden denselben Winkel zur Ebene der Zwischenwände. Nach einer Variante verändert sich dieser Winkel mit dem Abstand zwischen den Rippen und der Eintrittsöffnung oder der Austrittsöffnung für das Fluid. Zum Beispiel kann der Winkel in der Nähe des Fluideintritts größer sein und mit der Entfernung von der Eintrittsöffnung kleiner werden, danach wieder größer werden und in der Nähe der Austrittsöffnung wieder seinen ursprünglichen Wert erreichen.
Die Öffnungen, die im oberen Teil des [Zirkulations-] Raums liegen, kommunizieren mit Röhren, die zum Anschluss der Monoblöcke bestimmt sind. Wenn die Achse der Öffnungen vertikal ist, bildet die Richtung jeder der Rippen außerdem einen Winkel von 60° bis 60° zu den Achsen dieser Öffnungen. Die Neigung der Rippen oder eines Teils der Rippen, die in der Nähe der Eintritts- und Austrittsöffnungen des Fluids angeordnet sind, wird durch die Verteilung und Sammlung des Fluids bestimmt. Für den Fall, das eine Flüssigkeit zirkuliert, werden Durchlässe durch die Rippen zur Abführung der Gasblasen vorgesehen.
Diese Anordnung verstärkt die mechanische Festigkeit der Wand, die zwischen den Rippen und den Zwischenwänden liegt.
Nach einer ersten Ausführungsform werden diese Rippen auf der Wand geformt und nicht später daran befestigt.
Nach einer zweiten Ausführungsform werden die Rippen gleichzeitig auf der Wand und auf der Wandscheibe symmetrisch geformt, danach werden die entsprechenden Formen aneinander gleichzeitig mit der Befestigung der Wandscheibe an der Wand befestigt.
Die Befestigung der Wandscheibe an der Wand oder der beiden Teile, welche die Rippen bilden, wird vorzugsweise durch Schweißen ausgeführt, insbesondere durch Schweißen mit einem Heizspiegel mit oder ohne Kontakt, was auch als Thermoschweißen bezeichnet wird, oder durch Vibrationsschweißen, wenn sich die Werkstoffe dafür eignen. In einigen Fällen kann diese Verbindung auch durch Kleben hergestellt werden.
Nach einer Weiterentwicklung weist die genannte Wandscheibe einen Ansatz auf, mit dessen Hilfe die Batterie transportiert werden kann. Vorzugsweise ragt der Ansatz nicht über das Hüllvolumen der Batterie hinaus. Dieser Ansatz kann zum Beispiel aus einem ebenen Griff parallel zur Ebene der Wandscheibe bestehen, der mit einer das Greifen erleichternden Vorrichtung wie einer Öse oder einer Erhöhung versehen ist.
Vorzugsweise weist die Batterie eine Haltevorrichtung für Platten auf, die an jedem Ende der Batterie angeordnet sind, wobei diese Endplatten Aufnahmen tragen, die als Führungen für die genannte Vorrichtung geeignet sind. Diese Vorrichtung kann aus Streben bestehen, die auf die Endplatten geschweißt, genietet oder geschraubt werden, oder auch aus einem Band, das die Batterie umgibt. Die geometrische Form des Querschnitts der Aufnahme hängt von der Form der gewählten Haltevorrichtung ab. Das Vorhandensein der Haltevorrichtung trägt dazu bei, die mechanische Stabilität des Behälters zu erhöhen. Nach einer Ausführungsvariante tragen die Wandscheiben auch Führungsaufnahmen für diese Vorrichtung.
Bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung besser verständlich und weitere Vorteile und Besonderheiten werden ersichtlich werden. Die Beschreibung wird ohne einschränkende Wirkung gegeben, und sie nimmt auf die als Anhang beigefügten Zeichnungen Bezug, wobei:
1 in schematischer Perspektivdarstellung die Anordnung der Rippen zeigt, welche die Hindernisse im Innern eines Fluidzirkulationsraums bilden, der zu einer Monoblock-Batterie gemäß der Erfindung gehört;
2 eine Variante eines Zirkulationskreises des Kühlfluids darstellt, der zu einer Monoblock-Batterie gemäß der Erfindung gehört;
3 eine weitere Variante eines Zirkulationskreises des Kühlfluids darstellt, der zu einer Monoblock-Batterie gemäß der Erfindung gehört;
4 eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform einer Monoblock-Batterie gemäß der Erfindung darstellt;
5 die Belastung P (in MPa) zeigt, die durch den Druck des Gases auf die Innenfläche der Wand des Kastens ausgeübt wird, welche den Zirkulationsraum bildet, und zwar in Abhängigkeit vom Abstand D (in mm), der zwei aufeinander folgende Zwischenwände trennt.
Eine der Erfindung entsprechende verschlossene Monoblock-Batterie ist auf 1 dargestellt. Es kann sich insbesondere um eine Blei-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Zink- oder Lithium-Carbon-Akkumulatorbatterie handeln. Ihr Kunststoffbehälter besteht aus einem Kasten 2 und einem Deckel 3, der durch Thermoschweißen auf dem Kasten 2 befestigt ist. Der Kasten 2 ist durch vertikale Zwischenwände 5, die senkrecht zu den Längswänden 6 angeordnet sind, in Kammern 4 unterteilt.
Zwei Wandscheiben 7 aus Kunststoff werden dicht schließend auf die Längswände 6 geschweißt, so dass sie mit den entsprechenden Wänden Räume für die Zirkulation des Fluids bilden. Das Fluid ist zum Beispiel eine Mischung aus Wasser und einem Glykol (wie Ethylenglykol) in einem Massenverhältnis von 20% bis 50%. Die Durchflussmenge liegt für eine wirksame Kühlung in der Größenordnung von 20 bis 80 Litern pro Stunde und pro [Zirkulations-] Raum.
Die Längswände 6 der Batterie weisen eine Serie von fünf horizontalen Rippen auf, die Hindernisse für die Zirkulation des Fluids definieren, wie durch die Pfeile angegeben. Eintritts- und Austrittsöffnungen 9 sind im oberen Teil des Raums vorgesehen. In diesem Fall bildet die Richtung der Rippen einen 90°-Winkel zur Ebene 10 der Zwischenwände und zur Achse 11 der Öffnungen 9. Die Öffnungen 9 kommunizieren mit auf dem Deckel angeordneten Röhren 12. Der Deckel trägt außerdem die positive 13 und die negative Klemme 14.
Auf den 2 und 3 wurden zwei Beispiele des Kühlkreises dargestellt, die der vorliegenden Erfindung entsprechen. Da die Kreise aus zwei symmetrisch angeordneten identischen Teilen bestehen, ist jeweils nur der eine Teil von ihnen dargestellt. Diese Anordnungen bieten die Möglichkeit, eine gleichmäßige Verteilung der Belastungen zu erzielen.
Auf 2 ist eine Öffnung 20 für den Eintritt des Fluids im oberen Teil des [Zirkulations-] Raums angebracht. Die Rippen 21, 22, 23 sind horizontal angeordnet, mit Ausnahme des Teils 21' der Rippe 21, die in der Nähe des Eintritts des Fluids angeordnet ist und deren Neigung 45° beträgt, um das eintretende Fluid aufzunehmen und zu verteilen. Vorrichtungen 22', 24 zur Führung und Teilung des Stroms sind am Ende der Rippen 22, 23 senkrecht angeordnet. Das Fluid dringt in den Kreis durch die Öffnung 20 mit vertikaler Achse parallel zur Ebene der Kammertrennwände ein, danach verteilt sich das Fluid so im Kreis, wie von den Pfeilen angegeben. Im unteren Teil des [Zirkulations-] Raums setzt das Fluid seinen Weg in dem symmetrischen, nicht dargestellten Teil fort, um durch eine Öffnung abzufließen, die analog zur Öffnung 20 angeordnet ist.
3 zeigt eine Öffnung 30 mit horizontaler Achse für den Eintritt des Fluids, die im oberen Teil des [Zirkulations-] Raums angebracht ist. Die Rippen 31, 32, 33, 34 sind in einem Winkel von mehr als 60° zur Ebene der Zwischenwände angeordnet, mit Ausnahme der Abschnitte 31' und 32' der Rippen 31 und 32, die in der Nähe des Flüssigkeitseintritts angeordnet sind und deren Neigung 45° beträgt, um das eintretende Fluid aufzunehmen und zu verteilen. Der Winkel, den die Richtung der Rippen 31, 32, 33, 34 zur Ebene der Zwischenwände bildet, hat einen Wert nahe 60° bei den Rippen, die in der Nähe der Eintrittsöffnung 30 angeordnet sind. Dieser Winkel nimmt zum unteren Teil der Wand hin zu, wo er an der Basis des linken Teils der Vorrichtung, welche die Kommunikation mit dem nicht dargestellten rechten Teil der Vorrichtung ermöglicht, einen Wert von nahezu 90° erreicht (fast horizontale Rippe).
Die Rippen 34 sind außerdem mit gebogenen Abschnitten 34' zur Führung und Teilung des Stroms sowie zur Versteifung der Kühlungsvorrichtung verbunden. Die Rippen 32 und 33 werden durch ein Spritzverfahren gleichzeitig auf der Wand des Kastens und auf der Wandscheibe hergestellt. Wenn die Wand und die Wandscheibe einander gegenüber angeordnet sind, um durch Thermoschweißen verbunden zu werden, werden die beiden zueinander gehörenden Teile der Rippe aufeinander befestigt. Die Rippen 31 und 34 werden nur auf der Wand des Kastens ausgeführt und werden in diesem Fall nicht verschweißt, sie können eventuell weggelassen werden.
Durch die Rippen 34 sind Durchlässe 35 zur Abführung der Gasblasen angebracht. Das Fluid dringt durch die Öffnung 30 in den Kreis ein, danach verteilt sich das Fluid im Kreis, wie von den Pfeilen angegeben. Im unteren Teil des [Zirkulations-] Raums setzt das Fluid seinen Weg in dem nicht dargestellten symmetrischen Teil fort, um durch eine analog zur Öffnung 30 angeordnete Austrittsöffnung abzufließen.
Die auf 4 zu sehenden Transportansätze 40 können auf der Außenseite der Wandscheibe 41 so vorgesehen sein, dass ihr höchster Punkt nicht über die Ebene der Oberseite der Kappe 42 hinausragt, welche die Stromausgangsklemmen 43 schützt. An der Außenseite der Wandscheibe 41 kann man auch Aufnahmen für eine Haltevorrichtung vorsehen, wie zum Beispiel mindestens ein Metallband 44, das die Batterie umgibt. Auf dem Deckel kann man ein Gehäuse 45 mit einem Schlauch für den Eintritt und Austritt der Kühlflüssigkeit anbringen.
BEISPIEL 1
Man führt eine Monoblock-Batterie nach dem bisherigen Stand der Technik analog zu jener aus, die in der europäischen Patentanmeldung EP-0 596 778 beschrieben ist, ausgestattet mit einer Kühlungsvorrichtung, deren Rippen einen Innenwinkel von 60° zur Ebene der Zwischenwände bilden, welche die Kammern trennen. Der Kasten besitzt Wände aus Polyolefin, die die Kühlungsvorrichtung bilden und eine Dicke von 2 mm haben. Die Wandscheiben haben eine Dicke von 2,5 mm und definieren Zirkulationsräume mit einer Dicke von 3 mm, was eine Gesamtdicke der Kühlungsvorrichtung von 7,5 mm ergibt. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Zwischenwänden beträgt 34 mm. Somit umfasst die Batterie Elemente, die 15 elektrochemische Zellen aufweisen, was einer Leistung von ungefähr 100 Ah entspricht.
Man gibt einen Betriebsinnendruck dieser Batterie von 2,8 Bar relativ vor, wobei die erzeugte maximale Belastung auf die Wände, die man messen kann, 10,4 MPa beträgt, was zu einer Verformung von 2,78 mm führt. Eine solche Belastung bringt Gefahren wie den Bruch des Kastens durch Fließen des Materials oder einen schlechten Wärmekontakt zwischen dem Bündel und der Wand des Kastens mit sich.
BEISPIEL 2
Man führt eine Batterie gemäß der Erfindung analog zu jener von Beispiel 1 aus, mit Ausnahme des Umstands, dass sie mit einer Kühlungsvorrichtung ausgestattet ist, deren Rippen einen Winkel größer 60° zur Ebene der Zwischenwände bilden, welche die Kammern trennen. Die Wände des Kastens, welche die Kühlungsvorrichtung bilden, haben eine Dicke von 2 mm, und die Gesamtdicke der Kühlungsvorrichtung beträgt 7,5 mm. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Zwischenwänden beträgt 34 mm. Somit umfasst die Batterie Elemente, die 15 elektrochemische Zellen aufweisen, was einer Leistung von ungefähr 100 Ah entspricht.
Man gibt einen Betriebsinnendruck dieser Batterie von 2,8 Bar relativ vor. Die erzeugte maximale Belastung auf die Wände, die man messen kann, beträgt 4,9 MPa. Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Kühlungsvorrichtung bietet die Möglichkeit, die durch einen Innendruck von 2,8 Bar erzeugte Belastung auf die aus demselben Material bestehende Wand um 53% zu senken.
BEISPIEL 3
Aus Gründen der Zuverlässigkeit und Sicherheit können die Anwender dieser Batterien keine Belastung von mehr als 6 MPa akzeptieren. Mit diesem Ziel führt man eine Monoblock-Batterie analog zu jener von Beispiel 2 aus, mit Ausnahme des Umstands, dass die Gesamtdicke der Kühlungsvorrichtung 7 mm beträgt.
Man gibt einen Betriebsinnendruck dieser Batterie von 2,8 Bar relativ vor, wobei die erzeugte maximale Belastung auf die Wände, die man messen kann, 5,6 MPa beträgt, was zu einer Verformung von 2,12 mm führt. Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik wird die Belastung um 46% gesenkt, und die dadurch entstehende Verformung wird um 24% verringert.
Unter vollständiger Einhaltung der vom Anwender festgelegten zulässigen Gefahrenschwelle konnte das Gesamtvolumen der Batterie dank der Erfindung verringert werden.
Die Daten und Ergebnisse der obigen Beispiele sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt:
TABELLE
Bei einer maximalen Belastung von 6 MPa zeigt die Kurve 50 von 5, dass die Breite der Kammern bei einer Kühlungsvorrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik, bei der die Rippen einen Winkel von weniger als 60° zur Ebene der Zwischenwände bilden, 28,5 mm nicht überschreiten darf, was Elemente mit 12 Zellen ergibt. Dagegen kann unter denselben Bedingungen bei einer Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung die Breite der Kammern 35 mm (15 Zellen) erreichen (Kurve 51).
Selbstverständlich sind die verschiedenen vorgestellten, mit Zahlenangaben versehenen Anwendungen nur als Beispiel ohne einschränkende Wirkung zu verstehen.

Claims

Verschlossene Monoblock-Batterie, die mit einem Druck von mindestens gleich 1 Bar relativ betrieben wird, aufweisend einen Kunststoffbehälter, der aus einem Deckel und einem Kasten besteht, durch mindestens eine Zwischenwand in Kammern unterteilt, wobei die Batterie mit einer Kühlungsvorrichtung ausgerüstet ist, die zwei Wandscheiben aus Kunststoff aufweist, welche jeweils mit der Außenseite von zwei gegenüberliegenden Wänden des Kastens zusammenwirken, die zu der genannten Zwischenwand senkrecht stehen, wobei die Wandscheibe mit der Wand einen Raum definiert, der eine Vielzahl von Rippen aufweist, die Hindernisse für die Zirkulation des Fluids darstellen, sowie eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für das Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung jeder dieser Rippen gegenüber der Ebene der Zwischenwand einen Winkel von 60° bis 90° bildet.
Batterie nach Anspruch 1, bei der der Winkel sich mit dem Abstand zwischen den Rippen und der Eintrittsöffnung oder der Austrittsöffnung des Fluids ändert.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Rippen auf der Wand geformt werden.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Rippen symmetrisch gleichzeitig auf der Wand und auf der Wandscheibe geformt werden, und wobei die entsprechenden Formen danach gleichzeitig mit der Befestigung der Wandscheibe an der Wand aneinander befestigt werden.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Befestigung durch eine Schweißung ausgeführt wird, wobei zwischen einer Schweißung mit Heizspiegel und einer Ultraschallschweißung gewählt werden kann.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wandscheibe einen Transportansatz trägt.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Batterie eine Haltevorrichtung für Platten aufweist, die an jedem Ende der Batterie angeordnet sind, wobei diese Endplatte Aufnahmen zur Führung dieser Vorrichtung tragen.
Batterie nach Anspruch 7, bei der die Wandscheiben Aufnahmen zur Führung dieser Vorrichtung tragen.