ES2217523T3 - Bateria acumuladora electrica de multiples elementos. - Google Patents

Bateria acumuladora electrica de multiples elementos.

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ES2217523T3
ES2217523T3 ES98500167T ES98500167T ES2217523T3 ES 2217523 T3 ES2217523 T3 ES 2217523T3 ES 98500167 T ES98500167 T ES 98500167T ES 98500167 T ES98500167 T ES 98500167T ES 2217523 T3 ES2217523 T3 ES 2217523T3
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cell
cylindrical
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ES98500167T
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Jose Fullea Garcia
Rafael Ruiz Rodriguez
Jesus Gutierrez Heredia
Ernesto Collado Parra
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Exide Technologies SA
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Abstract

SE EXPONE UNA BATERIA DE ALMACENAMIENTO ELECTRICO DE ALMACENAMIENTOS MULTIPLES, CON UN RECIPIENTE PRISMATICO (1) Y ELEMENTOS CILINDRICOS, QUE COMPRENDE CONDUCTOS VERTICALES PASANTES (15-16) QUE SE ABREN A TRAVES DE LA TAPA Y EL FONDO Y ESTAN DISPUESTOS ENTRE ELEMENTOS ADYACENTES, Y SIRVEN PARA LA CIRCULACION DE AIRE U OTRO REFRIGERANTE Y PARA EL PASO DE VARILLAS DE ANCLAJE ROSCADAS (17). LAS PAREDES CILINDRICAS DE LOS ELEMENTOS INCLUYEN UN SEGMENTO SUPERIOR PLANO CON UNA ABERTURA A TRAVES DE LA CUAL SE ESTABLECE LA CONEXION ELECTRICA DE LOS ELEMENTOS ADYACENTES.

Description

Batería acumuladora eléctrica de múltiples elementos.
La presente invención se refiere a una batería acumuladora de celdas múltiples del tipo ácido-plomo, usada, por ejemplo, para el arranque y semipropulsión de vehículos de automoción.
Más específicamente, la batería de la invención es del tipo de recombinación o convencional, cuyo recipiente es generalmente de forma prismática recta, cerrada en la parte superior por una tapa a través de la cual sobresalen los terminales de conexión, estando el recipiente subdividido internamente en dos o más celdas cilíndricas que alojan un electrodo positivo y uno negativo aislados por separadores intermedios, todo lo cual está enrollado en forma de espiral.
La tendencia actual en automóviles hacia el uso de equipo interno y externo sofisticado que aumenta cada vez más está generando una demanda de energía eléctrica cada vez mayor instalada en el vehículo, que da por resultado un uso más frecuente de la batería, que demanda un rendimiento cada vez más alto que descarga la batería a fondo y considerablemente acorta su vida.
El diseño convencional de las baterías usadas como fuentes de energía en automóviles consiste en una serie de celdas conectadas en serie, teniendo cada una un número establecido de electrodos positivo y negativo conectados en paralelo y separados físicamente por un material poroso que permite la circulación libre de los iones involucrados en las reacciones electroquímicas de carga y descarga.
Debido a estas demandas crecientes en términos de potencia disponible, los fabricantes de batería se han visto obligado a incrementar el número de electrodos por celda, disminuyendo su grosor, lo cual ocasiona una reducción de la vida útil debida a la corrosión de las rejillas que sirven como soporte para el material activo en los electrodos. Como resultado, las baterías destinadas a gran potencia tienen una vida útil muy limitada en términos de ciclos y ocasionan fallos prematuros bajo las condiciones más extremas que se demandan por los vehículos modernos.
Para alcanzar el óptimo rendimiento, el diseño de celdas debe ser tal que, por una parte, el área de superficie de los electrodos pueda ser grande, a pesar del número de electrodos, y por otra parte, el material activo pueda ser mantenido bajo una presión mecánica determinada que la mantenga sin deterioro durante los ciclos de carga y descarga.
Se puede realizar este diseño por medio de las celdas cilíndricas con electrodos en espiral, en las cuales el incremento en el área de superficie del electrodo se limite sólo por el grosor de las placas y el separador. Además, mientras mayor sea el área de superficie, mayor es la presión interna de la celda, y esta presión permanece constante a través del proceso debido a la geometría circular de la celda.
Las nuevas técnicas de fabricación continuas permiten la preparación a gran escala de electrodos de grosor muy reducido, y esto, combinado con la automatización del proceso de montaje, hace posible lograr el coste deseado y las metas de rendimiento dando a los electrodos una configuración en espiral.
La técnica anterior incluye ejemplos de baterías de almacenamiento con celdas cilíndricas, cuyo recipiente puede asumir diferentes configuraciones dependiendo de la aplicación y las formas cilíndricas de la celda. Las patentes que pueden ser citadas con relación a esto incluyen las patentes de US 4.780.379, US 5.283.137, US 5.415.956, US 5.599.641 y EP 0578536.
Sin embargo, en ninguna de las patentes enumeradas está el recipiente diseñada de forma que se pueda usar directamente en vehículos de automoción convencionales, que requieren una batería en forma de prisma recto rectangular de dimensiones normalizadas para garantizar el acoplamiento adecuado a la bandeja de montaje y la conexión eléctrica apropiada.
Además, uno de los problemas que surge en las baterías del tipo descrito es la alta temperatura del compartimiento en la que se instala la batería, debido, en el caso del automóvil, al gran número de dispositivos que generan calor y al poco espacio disponible, lo cual reduce grandemente la disipación del calor. La alta temperatura de funcionamiento de la batería aumenta los problemas de corrosión del electrodo y origina el deterioro de los materiales activos, reduciendo de ese modo significativamente la vida de la batería.
Otro problema que se presenta por las baterías del tipo indicado se deriva de la ubicación o posición de sus terminales de conexión. Dependiendo de la estructura del diseño del automóvil u otras aplicaciones, las baterías deben algunas veces estar montadas con el terminal positivo sobre la derecha y algunas veces con él sobre la izquierda. En algunos casos los terminales deben estar sobre la parte superior de la tapa, y en otros casos sobre un lado del recipiente.
El objeto de la presente invención es proporcionar una batería del tipo descrito inicialmente que elimina las desventajas antes mencionadas.
Según la presente invención, las baterías comprenden el paso a través de los conductos verticales que se abren a través de la tapa y el fondo y están dispuestos entre celdas contiguas. Estos conductos están diseñados para la circulación natural o forzada de aire u otro refrigerante que sirve para disipar el calor de la batería, aumentando de ese modo su vida útil.
Otro objeto de la presente invención es equipar la batería con terminales de conexión de este modo dispuestos para que puedan ser adaptados a cualquier tipo de vehículo, independientemente de la disposición de las conexiones positiva y negativa.
Según la presente invención, la batería comprende tres terminales de conexión para cada polaridad, estando dispuestos dos de dichos terminales en la tapa y un tercero en una de las paredes del recipiente, estando los tres terminales conectados eléctricamente uno a otro por medio de barras o puentes pasantes sobre el recipiente, preferiblemente dentro de la tapa.
Con la disposición descrita, las conexiones eléctricas positiva y negativa a la carga pueden ser realizadas indiscriminadamente sobre cualquier lado de la batería, independientemente de la posición en la que se coloca la batería.
Dos de los conductos refrigerantes antes mencionados pasantes a través de la batería, cada uno de los cuales está preferiblemente dispuesto cerca de una de las paredes más pequeñas del recipiente, se usan para el paso de las varillas de anclaje para conectar a la bandeja o placa de asiento sobre la cual se montará la batería. Este sistema de sujeción le otorga a la batería una alta resistencia a la vibración y permite un diseño uniforme para el recipiente, puesto que los salientes tradicionales para anclar la batería a la bandeja no son ya necesarios. Este sistema facilita el montaje de la batería al fabricante y al usuario del vehículo.
Según otra característica adicional de la invención, las paredes cilíndricas de las celdas comprenden un segmento superior plano común a las celdas contiguas. Este segmento tiene una abertura a través de la cual se realiza la soldadura apropiada de las conexiones entre los diferentes conductores de polaridad de estas celdas contiguas.
Este sistema de conexión de celda proporciona además la ventaja de mayor facilidad de control de calidad y mayor fiabilidad para la batería de almacenamiento.
Una característica adicional de la batería de la invención es que la capacidad de la batería se puede variar dentro de los límites establecidos con el uso de los recipientes del mismo tamaño. Para lograr esto, según la invención, cada electrodo cilíndrico incluye un núcleo central de configuración tubular perforada, cuyo diámetro define la capacidad del electrodo que puede ser alojado en la cámara anular delimitada por dicho núcleo y la pared de la celda. Mientras más pequeña sea la capacidad requerida de la celda, mayor el diámetro del núcleo. De este modo se pueden obtener una diversidad de características de funcionamiento sin alterar las dimensiones de la batería, sólo cambiando la longitud de los electrodos y los separadores, aunque sin ninguna necesidad de modificar sus grosores, para asegurar la compresión necesaria para el funcionamiento satisfactorio de la batería de almacenamiento.
En la batería de la invención, la tapa comprende asas que facilitan la manipulación y transporte de la batería, siendo estas asas colapsables y capaces de ser alojadas sobre la superficie de la tapa cuando la batería está montada o no en uso. Para este fin, se disponen uno o dos asas simétricas, articuladas sobre la parte central de la tapa de la batería y son capaces de pivotar alrededor del punto de articulación entre una posición libre, en la que se pliegan hacia abajo y se encajan en los canales formados en la superficie de la tapa, y una posición de funcionamiento, elevada en la cual se disponen perpendiculares a la tapa para servir como agarraderas que facilitan el transporte y la manipulación de la batería.
Si la batería es del tipo de recombinación, el electrólito se absorberá en el separador, sin completar la saturación del mismo, de tal modo que no esté presente ningún electrólito libre. Bajo estas condiciones la batería se puede colocar en cualquier posición, y de ese modo se puede usar un asa única dispuesta sobre una de las paredes del recipiente para la manipulación y transporte. Este tipo de batería incluye una válvula por celda, diseñada para asegurar la presión requerida para producir la recombinación interna de los gases generados durante los procesos de carga.
En breve, las características de la invención hacen posible obtener una batería que ofrece alto grado de rendimiento y elevada compresión de placa, proporcionados por celdas cilíndricas que garantizan elevada resistencia a los ciclos de carga/descarga, siendo ésta una batería que es conveniente para manipular, fácil y segura para fijar o anclar, a partir de la cual se puede impartir una amplia diversidad de características de funcionamiento a partir de su proceso de fabricación, y que incorpora un sistema de refrigeración de celda interna que evita que la batería se caliente durante el uso, siendo ésta una ventaja muy importante para las nuevas aplicaciones de baterías en vehículos eléctricos o híbridos, en los cuales la gestión de calor en la batería es absolutamente esencial para asegurar la recarga rápida y las puntas de aceleración requeridas.
Todas las características antes mencionadas serán más fácilmente comprendidas a partir de la siguiente descripción, que hace referencia a los dibujos adjuntos que representan una realización a modo de ejemplo no restrictiva.
En los dibujos:
La figura 1 es una vista en perspectiva de una batería realizada según la invención.
La figura 2 es una vista similar a la de la fig. 1, con la tapa retirada.
La figura 3 es una vista en perspectiva de una sección transversal de la batería de la invención, que muestra la distribución de las celdas y los conductos de ventilación.
La figura 4 es una vista en perspectiva de la realización de los electrodos alojados en cada celda.
La batería representada en los dibujos incluye un recipiente 1 de configuración prismática recta y en forma rectangular en planta, cerrada en la parte superior por medio de una tapa 2.
En la realización mostrada, la batería incluye tres terminales para cada polaridad, dos terminales negativos designados por la referencia numérica 3 y dos terminales positivos designados por la referencia numérica 4, que se proyectan a través de la tapa, y un terminal 5 negativo y otro terminal 6 positivo que se proyectan a través de una de las paredes laterales. Los terminales 3 y 5 están conectados uno al otro por medio de un puente o barra que está integrado en la tapa 2. De la misma manera, los terminales 4 y 6, de la misma polaridad, están conectados por otra barra o puente.
La figura 2 muestra el puente 7 que une los terminales 3 de la misma polaridad. En el caso en el que los terminales 5 y 6 laterales están presentes, se extienden los puentes apropiados para conectar los mismos.
La batería mostrada en las figs. 1 y 2 también incluye dos asas, designadas por la referencia numérica 8, que están articuladas a la tapa 2 en sus extremos inferiores y son capaces de bascular entre una posición de funcionamiento, en la que las dos asas 8 están dispuestas adosadas en una posición aproximadamente perpendicular a la tapa 2, y una posición no operativa, en la cual las asas 8 se pliegan hacia abajo dentro de la tapa 2 y se asientan en los canales 9 formados en la superficie de dicha tapa.
Según se ilustra en la fig. 3, la batería puede incluir sólo un asa 8 articulada a la tapa 2 por los extremos del fondo de sus brazos, de modo que pueda asumir las posiciones descritas anteriormente en este documento.
En el caso de las baterías de recombinación que no contienen electrolito libre, la batería podría incluir un asa única dispuesta sobre una de las paredes laterales del contenedor, según se designa por la referencia numérica 8' en la fig. 1.
Según se puede observar en la fig. 3, el interior del recipiente 1 se subdivide en celdas 10 cilíndricas que alojan los electrodos positivo y negativo enrollados en espiral y el separador correspondiente. Las paredes cilíndricas de estas celdas 10 comprenden un segmento 11 superior plano, común a las celdas 10 contiguas, que incluye una abertura 12 de acceso a través de la cual se realiza la conexión entre los conductores 13 de polaridad diferente en las celdas.
Según otra característica de la invención, están encajados convenientemente entre las diferentes celdas 10 los conductos 14 y 15 verticales que se abren a través de las aberturas 16 en el fondo y la tapa, definiendo los conductos de ventilación a través de los cuales el aire u otro refrigerante pueden circular, siendo óptimamente usado el aire forzado, según se muestra en las figs. 2 y 3, a través de un sistema de conductos 16 de suministro de refrigerante.
Las varillas 17 roscadas para anclar la batería a la bandeja de montaje se pueden insertar a través de los conductos 15 extremos.
Según se puede observar en las figs. 1, 2 y 3, dispuestas en la tapa de la batería están las ranuras 18 que contienen los orificios 19 de rellenado de ácido y ventilación y rellenos con ácido de batería. Estos orificios sirven además para alojar las válvulas que aseguran una presión interna adecuada en cada celda, que permiten la recombinación de gases necesario para un tipo de batería regulada por válvula o de recombinación. La ranura 18 se cierra posteriormente por medio de la barra 20 de cubierta.
La disposición descrita produce una batería refrigerada con características de elevado rendimiento eléctrico y elevada resistencia a la vibración impartida por los sistemas de anclaje, asegurando además una impermeabilidad absoluta entre las celdas debido al sistema de conexión descrito.
Uno de los problemas presentado por las baterías acumuladoras en general, y en un grado más pronunciado por las baterías del tipo de recombinación, es el asegurar la compresión de la pila o conjunto de placas en cada celda, la cual necesita el uso de recipientes de diferentes tamaños para variar la capacidad de la batería, o en el mejor caso posible, la variación del grosor del separador para lograr este fin.
Este problema se resuelve en la batería de la invención a través del uso en cada celda de un núcleo 21 de plástico (fig. 4) de configuración tubular perforada, en el cual se enrollan los electrodos positivo y negativo y el separador. Este núcleo 21 puede tener diferentes diámetros, definiendo de este modo la capacidad del electrodo que puede ser alojado en la cámara anular delimitada entre dicho núcleo y la pared cilíndrica de la celda 10, haciendo posible de este modo el ajuste de la longitud de las placas 22 positiva y negativa que pueden ser insertadas en cada celda de diámetro fijo, asegurando la compresión de la pila cilíndrica formada por los electrodos 22 y el separador 23. Incrementando el diámetro del núcleo 21 es posible fabricar baterías de capacidad más baja, con placas 22 más cortas, sin la necesidad de usar separadores excesivamente gruesos o recurrir a una recipiente y tapa más pequeño, siendo mantenida la compresión de la pila para garantizar el funcionamiento apropiado de la batería.

Claims (5)

1. Una batería acumuladora eléctrica de celdas múltiples, que comprende una recipiente de forma generalmente prismática recta, cerrada en la parte superior por medio de una tapa a través de la cual sobresalen los terminales de conexión, cuyo recipiente se subdivide internamente en dos o más celdas cilíndricas que alojan los electrodos positivo y negativo segregados por separadores intermedios, enrollados en forma de espiral, caracterizada porque la batería comprende conductos pasantes verticales que se abren a través de la tapa y el fondo y están dispuestos entre celdas contiguas; tales conductos están destinados a la circulación de aire u otro refrigerante y al paso de varillas roscadas para anclar la batería a la bandeja de montaje o placa de asiento; y porque las paredes cilíndricas de las celdas comprenden un segmento superior plano común a las celdas contiguas, que incluye una abertura de acceso a través de la cual se hace la conexión eléctrica entre los conductores de polaridad diferente de dichas celdas contiguas.
2. Una batería según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende tres terminales de conexión para cada polaridad, estando dispuestos dos de dichos terminales en la tapa y uno en una de las paredes, estando los tres terminales de cada polaridad eléctricamente conectados por medio de una barra de metal integrada en la tapa.
3. Una batería según la reivindicación 1, caracterizada porque cada celda cilíndrica incluye un núcleo central de configuración tubular perforada, cuyo diámetro define la capacidad de los electrodos positivo y negativo alojados en la cámara anular delimitada entre dicho núcleo y la pared de la celda.
4. Una batería según la reivindicación 1, cuya tapa porta asas articuladamente conectadas a su parte central, que son capaces de girar entre una posición libre en la que se pliegan hacia abajo sobre la tapa en una posición coplanar, y una posición de trabajo en la que están aproximadamente perpendiculares a la tapa, caracterizada porque dicha tapa comprende canales en los cuales se alojan las asas en su posición libre.
5. Una batería según la reivindicación 1, que tiene el electrolito absorbido en el separador, que no está completamente saturado, caracterizada porque comprende una válvula por celda, que asegura la presión necesaria para la recombinación interna de gases generados durante los períodos de carga.
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