Flüssigelektrolytbatterie mit Elektrolytdurchmischung mittels Konvektionsströmung
Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure- Batterie, die z. B. als Starterbatterie in Fahrzeugen eingesetzt wird.
Das Bestreben der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die Anforderung nach höherer Batterieleistung, da neben der herkömmlichen Energie zum Starten z. B. eines PKW, auch Energie für zusätzliche Aggregate, wie elektrische Fensterheber, Stellmotore zum Verstellen der Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze benötigt wird. Ferner ist es wünschenswert, die Batterieleistung über die Lebensdauer der Batterie möglichst auf einem konstanten hohen Niveau zu halten, da zunehmend auch sicherheitsrelevante Funktionseinheiten wie Lenkung und Bremsen elektrisch gesteuert und betätigt werden. Unter Batterieleistung wird nachfolgend die Kapazität der Batterie sowie die Fähigkeit der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromaufnahme verstanden. Die Batterieleistung wird von verschiedenen, dem Fachmann bekannten Faktoren beeinflußt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung einer Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. einer Blei-Säure- Batterie zu erhöhen. Ein besonderes Problem bei diesen Batterien ist, daß die Batterieleistung eine starke Abhängigkeit von der Batterietemperatur aufweist. In einem zulässigen Betriebsbereich ist mit einem Kapazitätsrückgang von ca. 0,6 bis 0,8 % pro Grad Celsius oder mehr zu rechnen. Wird angenommen, daß die optimale Betriebstemperatur bei ca. 30 Grad Celsius
liegt und die Batterie einer Temperatur von minus 20 Grad Celsius ausgesetzt ist, würde deren Kapazität nur noch ca. 60 % der konzipierten Kapazität betragen und somit z.B. das Betätigen des Anlassers eines Fahrzeugs Schwierigkeiten bereiten.
Es ist jedoch dem Fachmann auch bekannt, daß weitere Einflußfaktoren die Kapazität der Batterie verringern. Ein wesentlicher Einflußfaktor ist die sogenannte Stratifikation der Säure, d. h. die Säurekonzentration ist bezüglich der Elektrodenfläche nicht gleichmäßig. Das bewirkt, daß die Elektrodenplat- ten an Stellen, an denen die Säurekonzentration zu hoch ist, korrodieren und somit die Lebensdauer der Batterie sich vermindert, aber an Stellen, an denen die Säurekonzentration zu gering ist, die Batterie nicht ihre volle Leistung erreicht.
Daher sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren entwickelt worden, um den Elektrolyten umzuwälzen, damit die Säurekonzentration in allen Volumenabschnitten der Batterie gleich groß ist. Bei stationären Batterien wird z. B. Luft in den Elektrolyten eingeblasen. Für Fahrzeugbatterien sind Elektrolytdurchmischungsvorrichtungen bekannt, die als hydrostatische Pumpen bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um strömungstechnische Hindernisse, die die Flüssigkeit in eine vorbestimmte Richtung drängen. Diese Vorrichtungen sind nur bei sich bewegenden Fahrzeugen wirksam, da sie Brems- und Beschleunigungsvorgänge in Verbindung mit der Massenträgheitskraft des flüssigen Elektrolyten nutzen.
Diese Technik ist dem Fachmann bekannt, so daß lediglich beispielhaft auf die Dokumente US 4,963,444; US 5,096,787 und US 5,032,476 und DE 297 18 004.5 verwiesen wird.
Die Erwärmung einer Batterie ist eine weitere Möglichkeit der Elektrolytdurchmischung. Wenn eine Batterie an ihrer Unterseite oder im unteren Bereich der Seitenwände erwärmt wird, entsteht neben der beabsichtigten Erwärmung der Batterie auch eine vertikale aufwärtsgerichtete Konvektions-
Strömung des Elektrolyten, die ebenfalls zur Elektrolytdurchmischung beiträgt.
Es besteht einerseits die Forderung nach einer möglichst guten und schnel- len Durchmischung, während andererseits eine lokale Überhitzung der Batterie vermieden werden muß, da sonst die Elektroden irreversibel geschädigt werden.
Um beides zu erreichen, besteht die Aufgabe dieser Erfindung darin, die Durchmischung mittels thermisch induzierter Konvektionsströmung zu verstärken, ohne daß die Elektroden überhitzt und beschädigt werden. Weiterhin soll die Lösung besonders einfach, robust und kostengünstig sein.
Diese Aufgabe wird mit einer Flüssigelektrolytbatterie nach den Ansprüchen 1 und 3 gelöst, die ein Gehäuse mit Seitenwänden, einem Boden und einer Abdeckung aufweist. In dem Gehäuse sind plattenförmige Elektroden senkrecht stehend angeordnet. Das Gehäuse ist mit Flüssigelektrolyt gefüllt, dessen Pegelstand über den Oberkante der Elektrodenplatten liegt. An einer der Gehäusewände, zu der die Stirnseiten der Elektrodenplatten gerichtet sind, ist eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung angeordnet, die nachfolgende Merkmale aufweist: Eine Strömungskanalplatte ist parallel zu den senkrechten Kanten der Elektrodenplatten angeordnet. Zwischen der Strömungskanalplatte und der Gehäusewand ist ein Strömungskanal mit einem vorbestimmten Querschnitt ausbildet. An der Außenseite der Gehäusewand ist im Bereich des unteren Endabschnitts des Strömungskanals eine Heizung angeordnet. Weiterhin ist eine Ablaufplatte vorgesehen, die sich oberhalb des Pegelstandes waagrecht zur Gehäusemitte hin erstreckt und an einer Seite mit der Oberkante der Strömungskanalplatte verbunden ist.
Der Querschnitt des Strömungskanals ist nach Anspruch 1 so gewählt, daß in Abhängigkeit von der verfügbaren Heizleistung der größtmögliche Elektrolytdurchsatz, d.h. das Abfließen eines maximalen Elektrolytvolumens pro Zeiteinheit über die Abflußplatte gewährleistet wird, wenn die durchschnittli-
che Batterietemperatur vor der Inbetriebnahme der Heizung zwischen - 30 Grad und -10 Grad Celsius beträgt.
Dieser Zusammenhang soll nachfolgend erläutert werden: Bei Versuchen zur Verbesserung der thermischen Elektrolytdurchmischung wurde ein Phänomen entdeckt, das nachfolgend als „Kamineffekt" bezeichnet wird.
Wenn die Heizung der Batterie in Betrieb genommen wird, wird der Elektro- lyt in dem beheizten Abschnitt des Strömungskanals erwärmt und somit veranlaßt, nach oben zu strömen. Da dieser beheizte Abschnitt der Flüssigkeitssäule des Strömungskanals relativ kurz ist gegenüber dem relativ langen Abschnitt der kalten Flüssigkeitssäule, die darüber steht, entsteht unmittelbar nach dem Einschalten der Heizung nur eine geringe Aufwärtsströ- mung, die sich jedoch mit zunehmender Betriebszeit der Heizung allmählich vergrößert und schließlich ein Maximum erreicht. Dieses Maximum ist von der Querschnitts-Größe und der Querschnitts-Form des Strömungskanals und auch von anderen Faktoren, wie der Viskosität des Elektrolyten abhängig. Bisher wurde bezüglich der Konstruktion der Flüssigelektrolyt-Umwälz- Vorrichtung immer eine optimale dynamische Durchmischung zugrunde gelegt, der thermischen Durchmischung jedoch keine Beachtung geschenkt. Eine Optimierung der Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung hinsichtlich dynamischer Durchmischung und gleichzeitig statischer thermischer Durchmischung ist physikalisch nicht möglich.
Es wurde ermittelt, daß die Batterieleistung verbessert und die Batterielebensdauer verlängert werden kann, wenn die Querschnitts-Größe und die Querschnitts-Form des Strömungskanals so ausgewählt werden, dass der „Kamineffekt" und somit ein größtmöglicher Elektrolytdurchsatz besonders im Niedrigtemperaturbereich erreicht wird.
Auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen technischen Lehre kann ein Fachmann durch Berechnung oder durch ein einfaches Experiment die
optimale Querschnittsgröße und Querschnittsform des Strömungskanals bestimmen.
Die Optimierung des Strömungskanals auf den größtmöglichen „Kaminef- fekt" wird vom einschlägigen Fachmann für Strömungsmechanik vorgenommen. Der errechnete Querschnitt kann anschließend experimentell überprüft und ggf. korrigiert werden. Dazu wird der Strömungskanal hinsichtlich Form und Querschnitt verändert und dabei das Elektrolytvolumen, das über die Ablaufplatte abläuft, im Niedrigtemperaturbereich gemessen.
Es ist auch möglich, den optimalen Querschnitt rein experimentell an Hand einiger Versuche zu ermitteln. Der experimentelle Aufwand dafür ist gering, da bei rechteckigen Batteriekästen einige Parameter bereits fest liegen. Der Strömungskanal hat eine bestimmte Länge, welche der Höhe des Batterie- gehäuses entspricht, und eine bestimmte Länge, welche der Breite der Batteriezelle entspricht. Weiterhin ist der Querschnitt des Strömungskanals meist rechteckig. Demzufolge ist nur die Tiefe des Strömungskanals zu variieren, was jedoch nur im Bereich von wenigen Millimetern möglich ist, wenn eine Starterbatterie durchschnittlicher Größe zu Grunde gelegt wird.
Nach Anspruch 2 ist eine weitere, gleich dimensionierte Flüssigelektrolyt- Umwälzvorrichtung gegenüber der ersten angeordnet, wodurch der Elektrolyt noch schneller durchmischt und erwärmt wird.
Nach Anspruch 3 ist ebenfalls eine weitere Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung gegenüber der ersten angeordnet, bei der der Querschnitt des Strömungskanals jedoch an einen anderen Temperaturbereich angepaßt ist. Der erste Querschnitt ist auf den Temperaturbereich - 30 bis - 15 Grad optimiert und der zweite Querschnitt auf den Temperaturbereich - 15 bis 0 Grad optimiert.
Mit der Erfindung wird somit eine mit flüssigem Elektrolyt gefüllte Batterie geschaffen, die im Niedrigtemperaturbereich und bereits ohne bewegt zu werden eine optimale thermische Durchmischung des Elektrolyten aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen.
Fig. 1a, b zeigen Schnittansichten der erfindungsgemäßen Batteriezelle.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm mit dem der Erfindung zu Grunde liegenden strömungstechnischen Effekts.
Fig. 3 zeigt graphisch die Beziehung zwischen der Größe des Strömungskanalquerschnitts und dem optimalen Volumenfluß pro Zeiteinheit.
Fig. 4 zeigt einen leeren Batteriekasten nach dem Stand der Technik.
Die nachfolgende Erläuterung der Erfindung beginnt mit dem Stand der Technik nach Fig. 5, da dadurch die Erfindung leichter verständlich wird.
Die Fig. 5 zeigt einen Batteriekasten mit 6 Zellen. Alle nachfolgenden Erläu- terungen beziehen sich jedoch nur auf eine einzige Zelle, wobei diese Zelle in Fig. 1a und 1b als Schnittansicht in Richtung 1c gemäß Figur 5 dargestellt ist. Da diese einzelne Zelle auch eine eigenständige Batterie ist, wird nachfolgend nur noch von einer Batterie gesprochen, da die Erfindung sowohl auf eine einzelne Zelle als auch auf die Kombination von mehreren Zellen anwendbar ist.
Nach Fig. 1a ist zwischen der senkrechten Gehäusewand 1 b und den Seitenkanten der Elektrodenplatten 2 eine Strömungskanalplatte 3 angeordnet,
so daß zwischen dieser Strömungskanalplatte 3 und der Gehäusewand 1b ein Strömungskanal 4 ausgebildet ist. Die Oberkante der Strömungskanalplatte 3 liegt im Bereich des Elektrolytpegelstandes 5 und ist mit einer Ablaufplatte 6 verbunden, die sich parallel zu den Oberkanten der Elektroden- platten 2 zur Gehäusemitte hin erstreckt. Im Bereich des unteren Endabschnitts des Strömungskanals 4 ist außen auf der Gehäuseseite 1b eine Widerstandsheizung 7 angeordnet. Der Strömungskanal 4 hat eine Länge, welche der Höhe des Batteriegehäuses entspricht, eine Breite, welche der Breite der Batteriezelle entspricht, und eine Tiefe, welche dem Abstand zwischen der Kanalplatte und der Seitenwand der Batteriezelle entspricht (Figur 4). Für die nachfolgenden Betrachtungen wird die Breite des Strömungskanals als konstant angenommen, so daß sich die Querschnittsänderung des Strömungskanals nur durch Änderung der Tiefe b ergibt. Die Pfeile in Figur 1a kennzeichnen den Elektrolytfluß bei eingeschalteter Heizung 7. Die Kanaltiefe ist mit b1 bezeichnet. Die Pfeile in Figur 1b sind länger als jene in Figur 1a und verweisen auf eine höhere Strömungsgeschwindigkeit. Die höhere Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Tiefe b2, welche geringer ist als die Tiefe b1.
Es ist nun der optimale Querschnitt zu ermitteln, bei dem der stärkste Volumenfluß auftritt. Nachfolgend wird näher beschrieben, wie der optimale Querschnitt des Strömungskanals experimentell ermittelt werden kann: Dazu wird zuerst von einem großen Querschnitt ausgegangen, bei dem nur eine schwache Konvektionsströmung visuell erkennbar ist. An der Oberkan- te der Strömungskanalplatte wird ein Thermoelement angeordnet, das mit einem Temperaturmeßgerät schaltungstechnisch verbunden ist. Die Heizung wird eingeschaltet, und es wird der Temperaturverlauf bezüglich der Zeit bestimmt. Wenn die Temperaturkurve lediglich kontinuierlich ansteigt, liegt eine zu schwache Konvektionsströmung vor. Wenn jedoch die Tempe- ratur nach einem Anstieg wieder leicht abfällt, ist das ein Hinweis, das sich eine stärkere Konvektionsströmung eingestellt hat. Die Erfinder gehen davon aus, daß es sich um eine Art „Kamin-Effekt" handelt, wie er bei Öfen bekannt ist, d. h. wenn der Ofen gut brennen soll, muß das entstehende
Rauchgas gut abgeführt und Frischluft zugeführt werden. Das ist nur möglich bei entsprechender Konfiguration des Ofens und besonders jener der Rauchgaskanäle.
Es kommt also darauf an, in dem Strömungskanal einen „Kamin-Effekt" zu erzeugen, welcher durch Ermittlung des Temperatur-Zeit-Verlaufs leicht nachweisbar ist. Ausgehend von einem Strömungskanal mit einem großen Querschnitt wird dieser durch Verringerung der Tiefe sukzessive verkleinert und danach immer der Temperatur-Zeit-Verlauf ermittelt, bis der in Fig. 2 dargestellte charakteristische Temperatur-Zeit-Verlauf auftritt.
Es kommt jedoch nicht nur darauf an, in dem Strömungskanal eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten, sondern einen möglichst großen Volumenstrom des Elektrolyten zu erreichen. Folglich gibt die Temperaturmessung lediglich einen ersten Hinweis auf einen optimalen Strömungsquerschnitt. Die abschließende Optimierung des Querschnitts kann jetzt mit einfachen meßtechnischen Maßnahmen erfolgen. So kann z. B. das Elektrolytvolumen, das über die Ablaufplatte abläuft, aufgefangen und gewogen werden. Durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Querschnitts und durch Vergleichen der jeweils ausgeströmten Elektrolytvolumina miteinander wird der Querschnitt ermittelt, durch den das größte Elektrolytvolumen pro Zeiteinheit strömt.
Dem Fachmann ist klar, daß die Bestimmung des optimalen Querschnitts auch ohne die vorstehend beschriebene Temperaturmessung möglich ist, wodurch sich jedoch der meßtechnische Aufwand bei der Volumenbestimmung erhöhen kann. In diesem Fall wird ebenfalls von einem großen Querschnitt ausgegangen, der dann sukzessive verkleinert wird, bis der Querschnitt Aoptimal, d. h. der Querschnitt mit der größten Elektrolytvolumen- Förderleistung gefunden ist. Die Ermittlung des optimalen Querschnitts wird bei einer Elektrolyttemperatur von - 10 Grad Celsius durchgeführt. Es ist dem Fachmann klar, dass der Elektrolyt während der Optimierungsschritte auf einer durchschnittlich konstanten Temperatur, im vorliegenden Beispiel
auf von - 10 Grad Celsius gehalten werden muß, um den strömungstechnischen Einfluß unterschiedlicher Viskosität auszuschließen. Diese Aussage gilt nicht für die Elektrolytvolumina, die mittels der Heizung erwärmt werden.
In Fig. 3 ist die Beziehung zwischen der Größe des Volumenstromes und dem Querschnitt des Strömungskanals schematisch dargestellt, wobei diese Darstellung immer nur für einen bestimmten Temperaturbereich gilt, da die Viskosität von der Temperatur abhängig ist.
Fig. 4a zeigt die gleiche Darstellung wie Fig. 1a, jedoch mit einer zweiten Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung mit gleichem Kanalquerschnitt A, so dass bei einem vorbestimmten Temperaturbereich die Durchmischung beidseitig erfolgt.
Fig. 4b zeigt die gleiche Darstellung wie Fig. 4a, ebenfalls mit einer zweiten Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, wobei jedoch die Kanalquerschnitte A bedingt durch unterschiedliche Tiefen b2, b3 unterschiedlich sind. Demzufolge erfolgt die Durchmischung bei einem vorbestimmten Temperaturbereich T1 nur mittels der rechten Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, bei einem anderen Temperaturbereich T2 mittels der linken Flüssigelektrolyt- Umwälzvorrichtung.
Mit dieser Ausführungsform der Erfindung ist es daher möglich, die Durchmischung über einen weiten Temperaturbereich zu optimieren. Die be- schriebenen Ausführungsformen sind nur einige wenige der möglichen Ausführungsformen der Erfindung. Aus den beschriebenen Ausführungsformen kann der Fachmann die technische Lehre der vorliegenden Erfindung vollständig entnehmen. Es ist klar, daß diese Ausführungsformen durch einen Fachmann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre weiterentwickelt und modifiziert oder kombiniert werden können. Daher fallen auch diese, nicht explizit genannten oder gezeigten weiteren Ausführungsformen in den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche.