JP6214671B2 - 電解質混合装置を備えるバッテリ - Google Patents

Description

本発明は、液状の電解質を含むバッテリに係り、好ましくは可動型の乗物、例えば乗用車、船舶又は航空機において使用され、電解質混合用の装置を備えるバッテリに関するものである。

軽量構造に対する乗物産業における努力は、バッテリ重量の削減にも関する。しかし、同時に、例えば乗用車を始動するといった従来のエネルギに加え、付加的なユニット、例えば電動式のパワーウインドウや、座席を調節する調節モータのためのエネルギや、座席を電気的に加熱するエネルギも必要とされるので、より高いバッテリ性能への要求は、高まっている。さらに、安全上重要な機能ユニット、例えばステアリング及びブレーキまでもが電気的に制御され、かつ操作されることが多くなっているため、バッテリ性能をバッテリの寿命にわたってできる限り一定の高いレベルに維持することが望まれている。以下において、バッテリ性能とは、バッテリの容量及び充放電する能力のことと解される。バッテリ性能は、当業者に知られている様々な要因による影響を受ける。

従来技術において、液状の電解質を含むバッテリ、例えば鉛と酸とを用いたバッテリの性能あるいは出力を向上させる手段が公知である。鉛と酸とを用いたバッテリの特別な問題は、酸のいわゆる成層化である。すなわち酸濃度は、電極面に関して一様でない。このことは、酸濃度が高すぎるところでは、電極の腐食を招き、その結果、バッテリの寿命を短縮させ、酸濃度が低すぎるところでは、バッテリがその性能をフルに発揮しないことを招く。

以下、電解質は常に酸という。それというのも、本発明の用途の大抵の事例は、鉛と酸とを用いたバッテリであるからである。しかし、本発明は、電解質が成層化する傾向を示すあらゆる液体電解質バッテリに適用可能である。

それゆえ、酸濃度がバッテリのすべての容積区分においてできる限り同程度であるように、酸を混合する様々な装置及び方法が開発されてきた。定置型のバッテリでは、例えば空気が電解質に吹き込まれる。

乗物用バッテリのために、加速動作時の酸の慣性質量を利用する酸混合装置が公知である。この技術は、当業者に公知であるので、刊行物（米国特許第４９６３４４４号明細書及び独国のＤＥ２９７１８００４．５号）を例示するにとどめる。

特に背の高い構造形態を有するスタータバッテリが存在する。このスタータバッテリの場合、上昇通路内に存在する酸は、加速度により比較的大きな区間にわたって下から上に押し上げられねばならない。このためには比較的大きなエネルギが必要である。通路内で酸を移動させるエネルギは、乗物加速度により形成されるので、エネルギの大きさは限られている。

これにより本発明の課題は、効率的であり、比較的背の高い構造形態を有するバッテリでも良好に混合し得る電解質混合装置を備えるバッテリを提供することである。

この課題は、請求項１に記載のバッテリにより解決される。バッテリは、以下の特徴を有している。

バッテリは、複数の側壁、１つのハウジング底及び１つのカバーを有するバッテリハウジングを有している。このアッセンブリは、バッテリセルを形成している。一般には、複数のこのようなバッテリセルがまとめられて、マルチコンパートメントハウジングを有する１つのバッテリを形成している。好ましくは長方形のバッテリハウジング内には、プレート状の電極が垂直に配置されている。電極は、完全に酸で覆われている。

バッテリハウジングの側壁の少なくとも１つに、この側壁に対して平行に所定の間隔を置いて、流動通路プレートが配置され、バッテリハウジングの側壁と流動通路プレートとの間に、垂直かつ液密な流動通路が形成されている。このような配置に対して択一的に、流動通路は、二重壁の流動通路プレートとして形成されていてもよい。すなわち、強く圧縮され、スリット状の中空室断面を有する管として形成されていてもよい。

これにより流動通路の上端は、流出スリットである。流出スリットの横には、混合槽が設けられている。混合槽は、複数の垂直の側壁と１つの水平の底とを有している。混合槽の、流出スリットに隣接する側壁は、流出スリットのオーバーフローエッジを形成している。混合槽の底は、常時、酸の、運転に関して予め定められた最低液位の下にあり、混合槽の底には、所定の断面を有する少なくとも１つの底開口が設けられている。

実施の形態においてなおも詳述するように、乗物、ひいてはバッテリの加速時に所定量の酸が、垂直の流動通路を通して押し上げられる。その結果、酸は、流出スリットから流出し、オーバーフローエッジを越えて混合槽に流入する。流動通路プレートは、少なくとも酸体積の下３分の１内まで延在しており、そこに存在する酸は、比較的高い比重を有している。これにより、この高い比重を有する酸が混合槽に導かれる。

高比重の酸の、混合槽への流入と同時に、加速中、混合槽の下に存在する軽い酸、すなわち低い比重を有する酸も、底開口を通して混合槽に押し込まれる。

これにより、混合槽内で高い比重を有する酸と低い比重を有する酸との混合が起こる。

換言すれば、混合槽が底開口を介してバッテリの酸体積に連通しているため、バッテリの静止状態では低い比重を有する酸が混合槽内に存在している。加速中、底開口を通して低い比重を有するさらなる酸が混合槽に押し込まれると同時に、流動通路を通してバッテリボックスの下側の容積領域から濃い酸が混合槽に導入される。これにより、乗物、ひいてはバッテリの加速中、静止状態よりも多くの酸が混合槽内に存在する。

混合槽内で加速動作にしたがって混合された酸（以下、混合酸という）は、底開口を通して流入する酸及び混合槽内に混合操作前から既に存在していた酸よりも若干高い比重を有している。加速度が数値ゼロに下がると、混合槽内に今や存在する混合酸から、底開口を通して比較的多量の酸がバッテリボックス内へ還流し、流動通路を通して比較的少量の酸がバッテリボックス内へ還流し、通常の酸液位が再び生じる。

混合槽内での比重の異なる酸体積の混合により、比較的大きな構造高さを有するバッテリにおいても、従来技術において公知の解決手段と比較して明らかに良好な混合が生じる。

電解質のより迅速な循環は、バッテリセル内の迅速な温度補償も生じる。これにより、バッテリの寿命は延長される。この観点は、バッテリが、例えば車両のエンジンルームに組み込まれており、エンジンの熱放射により片側から加熱される場合に重要である。その点において本発明は、標準バッテリにおいても肯定的な効果、例えばより長い寿命や、充放電に関するより良好な能力を提供する。

請求項２によれば、混合槽の底開口が、高い比重を有する酸が混合槽の底に向かって流れ着く箇所に、すなわち流出スリットの直ぐ横に設けられていると、混合のさらなる改善が生じる。上からの混合槽内への濃い酸のオーバーフローと、下からの薄い酸の流入とが、略同時に実施されるので、直接ぶつかり合う酸体積は、互いに渦動され、これにより良好に混合される。

請求項３によれば、混合槽の内側に位置する壁に、開口が設けられている。この開口は、混合をさらに改善する。

請求項４によれば、第１の混合槽の内側に位置する壁に接続している第２の混合槽が設けられており、第２の混合槽の底に少なくとも１つの底開口が設けられている。これにより、混合はさらに改善される。

請求項５によれば、第２の混合槽の底は、酸の最高液位の高さに位置している。すなわち第２の混合槽の底は、第１の混合槽の底よりも高い位置にある。これにより、混合はさらに改善される。

以下に、本発明について一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

バッテリボックスセルの断面を第１の期間における酸液位とともに示す図である。 図１に示した対象を第２の期間における酸液位とともに示す図である。 図１に示した対象を第３の期間における酸液位とともに示す図である。 図１に示した対象を第４の期間における酸液位とともに示す図である。 図１に示した対象を第１の期間と同じである第５の期間における酸液位とともに示す図である。 図６ａは、図１に示した対象の改変された実施の形態を示し、図６ｂは、その平面図である。 ２つの混合槽を有する混合装置の斜視図である。 ２つの混合槽を有する混合装置の第２の実施の形態の斜視図である。 ６つのセルを有する空のバッテリボックスの斜視図である。

図１は、バッテリボックスセルの断面図である。バッテリボックスセル１は、長方形の断面を有し、１つの底２と４つの側壁とを有している。４つの側壁のうち、本図では、側壁３及び側壁４しか見て取れない。符号５は、プレート状の電極を指し示し、符号６は、バッテリ酸を指し示している。バッテリ酸６の液位７は、最高の液位７ａと最低の液位７ｂとの間にある。本図に看取可能であるように、図示の液位は、最高の液位７ａのマークが付されたレベルにある。

側壁３と電極５との間には、流動通路プレート８が垂直に配置されている。その結果、流動通路９が形成される。これにより流動通路９は、流出スリット９ａで終端している。

流出スリット９ａの横には、混合槽１０が設けられている。混合槽１０は、側壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃと底１２とを有している。側壁１１ａ，１１ｂは、斜視図（図８参照）にしか看取可能でない。流動通路プレート８の上端は、オーバーフローエッジ１３を形成している。混合槽１０の底１２は、常時、バッテリ酸６の、運転に関して予め定められた最低液位７ｂの下にあり、所定の断面を有する少なくとも１つの底開口１４を有している。混合槽１０の横には、底開口１６を有する別の混合槽１５が設けられているが、この別の混合槽１５は、任意選択的なものであって、混合のさらなる改善を生じさせるだけのものである。

以下に、混合装置の機能について説明する。

図１は、静止状態にあり、水平の電解質液位７を有しているバッテリを示している。バッテリ内には、酸の成層化が発生しているものとする。すなわち、バッテリの底にある酸は、バッテリの上側の区分にある酸及び混合槽内にある酸よりも高い比重を有しているものとする。

図２は、右向きの矢印方向で乗物が正の加速をしたときの酸の動きを示している。同様の作用は、左向きの負の加速時、すなわち矢印方向で走行している乗物の制動時にも発生する。その際、混合槽１０内には、斜めになっている酸液位７が生じる。流動通路９を通して、高い比重を有する酸は、上方に流動し、オーバーフローエッジ１３を越えて混合槽１０に流入する。この運動期には、底開口１４を通して、低い比重を有する酸が、同様に混合槽１０に流入する。これにより、今や混合槽１０内には、バッテリの底における酸比重よりも低く、酸液位の領域における酸比重よりも高い比重を有する混合酸が生じる。

任意選択的なものである混合槽１５内には、斜めになっている酸液位により多少の酸が、底開口１６を介して下方に導かれる。

図３は、なおも一定の加速度が作用しているが、補償流動がもはや実施されていない状況を示している。それゆえ、流動を示す矢印も記入していない。

図４は、加速度がゼロに等しく、すなわち乗物が一定の速度で走行しているか、又は停止しているときの状況を示している。したがって、酸液位は水平である。流動を示す矢印は、液位補償が全３つの開口９ａ，１４，１６を介して実施されることを示している。特に附言しておくと、これらの開口の空間的な分布により酸がこれによりそれぞれ異なる箇所において流入及び流出され、これにより、より迅速な混合が生じる。

図５は、液位レベルが等しくなっている図１と同様の、ただし酸が混合されている状況を示している。

図６ａ及び図６ｂは、本発明の改変された実施の形態を側方及び上方から見た図で示している。混合槽１０において底穴１４は、流出スリット９ａの近傍に配置されている。このことは、互いに衝突するように流れる比重の異なる酸体積の特に効果的な混合に至らしめる。このことは、環状の矢印により略示してある。さらに第２の混合槽１５内には、３つの底開口１６が設けられている。これらの開口は、底に斜めに装入された管により形成され、管により流動抵抗を発生させ、これにより酸の付加的な渦動及び混合の改善を引き起こすことができる。この効果は、管１７の傾斜姿勢によりさらに高められる。

図７は、２つの混合槽１０，１５を有する混合装置の斜視図である。第２の混合槽１５の底１８は、バッテリ酸の最高液位の平面内にあり、切欠き１９を有している。

図８は、図７に示した混合装置を示しているが、図７に示した混合装置とは、第１の混合槽１０の内側の側壁にスリット状の開口２０が設けられている点において異なる。

附言しておくと、第１の混合槽１０の底開口及び側壁開口の断面は、当業者により最適化可能である。底開口及び側壁開口の断面は、円形である必要はない。底及び側壁に存在する開口の断面は、従来慣用の乗用車用バッテリでは、１．２〜１０ｍｍの直径を有する断面円形の穴に相当し、貨物自動車用バッテリでは、５〜２０ｍｍの直径を有する断面円形の穴に相当する。

図９は、６つのセルを有する空のバッテリボックスを示しており、各セル内には、例えば図８に示したような混合装置が配置可能である。

Claims (4)

1. 電解質混合装置を備えるバッテリであって、
   複数の側壁（３，４）、１つのハウジング底（２）及び１つのカバーを有するバッテリハウジング（１）と、
   液位（７）が所定の許容限界（７ａ，７ｂ）内にある液体電解質（６）と、
   該液体電解質（６）中に配置されている電極（５）と、
   を備え、前記側壁の少なくとも１つ（３）に、該側壁（３）に対して平行に所定の間隔を置いて、流動通路プレート（８）が配置され、前記バッテリハウジング（１）の側壁（３）と前記流動通路プレート（８）との間に流動通路（９）が形成されており、該流動通路（９）の上端は、流出スリット（９ａ）として形成されており、前記流動通路（９）の下端は、前記バッテリの容積の下３分の１内にあり、
   前記電極（５）の上方には、１つの混合槽底（１２）及び複数の混合槽側壁（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を有する混合槽（１０）が配置されており、
   前記流出スリット（９ａ）に隣接する前記混合槽側壁は、上部においてオーバーフローエッジ（１３）として形成されており、
   前記混合槽底（１２）は、前記液体電解質（６）の、運転に関して予め定められた最低液位（７ｂ）の下にあり、
   前記混合槽底（１２）には、少なくとも１つの底開口（１４）が設けられており、
   第１の前記混合槽（１０）の混合槽側壁のうちの、内側に位置する側壁（１１ｃ）に接続している、第２の混合槽としての混合槽（１５）が設けられており、該第２の混合槽の底（１８）が、少なくとも１つの底開口（１６，１９）を有していることを特徴とする、電解質混合装置を備えるバッテリ。
2. 前記混合槽（１０）の底開口（１４）は、前記液体電解質が前記オーバーフローエッジ（１３）を越えてオーバーフローしたときに前記混合槽の底に向かって流れ着く箇所に設けられている、請求項１記載のバッテリ。
3. 前記混合槽の混合槽側壁のうちの、前記内側に位置する側壁（１１ｃ）に、開口が設けられている、請求項２記載のバッテリ。
4. 前記第２の混合槽（１５）の底（１８）は、前記液体電解質（６）の最高液位（７ａ）の高さに配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のバッテリ。

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