專利名稱：具有借助對流流動進(jìn)行的電解質(zhì)混合的液體電解質(zhì)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體電解質(zhì)電池，例如鉛酸電池，該鉛酸電池例如作為起動電池
使用在車輛中。
背景技術(shù)：
對汽車工業(yè)中輕型構(gòu)造方面的努力亦涉及到電池重量的削減。同時對電池功率 的要求也越來越高，因為除了傳統(tǒng)的用于啟動例如小型汽車的能量之外還需要為附加的設(shè) 備、例如電動升窗器、用于調(diào)節(jié)座椅或亦用于電加熱座椅的伺服馬達(dá)提供能量。此外還希望 電池功率在電池的整個壽命期間都盡可能保持在一個恒定的較高水平上，因為這樣一來也 可以對就安全性來講意義重大的功能單元、例如轉(zhuǎn)向和制動進(jìn)行電控制和操作。電池功率 從下面起可理解為電池的容量以及電池的用于放出電流或用于接收電流的能力。電池功率 會受到各種對于技術(shù)人員來說已知的因素的影響。 由現(xiàn)有技術(shù)已知不同的措施，以提高液體電解質(zhì)電池，例如鉛酸電池的功率。對于 這種電池特別的問題是，電池功率對電池溫度具有很強(qiáng)的依賴性。在允許的工作范圍內(nèi)每 攝氏度電容下降約0. 6至0. 8%或者更多。如果假設(shè)，最優(yōu)的工作溫度在約30攝氏度并且 電池被置于零下20攝氏度的溫度，那么它的電容僅還為設(shè)計電容的約60%并且由此例如 造成車輛的起動的操作困難。 不過專業(yè)人員還已知，其它的影響因素也會減小電池的電容。重要的影響因素是 所謂酸的層積，也就是說，酸濃度相對電極表面是不均勻的。這導(dǎo)致，電極板在酸濃度過高 的位置上受腐蝕，這樣減小了電池的壽命，并且在酸濃度過小的電極位置上電池不能達(dá)到 它的全部功率。 因此開發(fā)了不同的裝置和方法，以循環(huán)電解質(zhì)，由此使酸濃度在電池的所有體積 部分中一樣大。對于靜止的電池例如將空氣吹入電解質(zhì)中。對于車輛電池已經(jīng)公開了電解 質(zhì)混合裝置，它也稱為流體靜力的泵。在此涉及流體技術(shù)的障礙，它將液體朝預(yù)定的方向擠 壓。該裝置僅對于運(yùn)動著的車輛有效，因為它結(jié)合液體電解質(zhì)的慣性力利用制動過程和加 速過程。 該技術(shù)對專業(yè)人員是已知的，這樣只示例列舉文獻(xiàn)US4， 963， 444 ;US5， 096， 787和 US5， 032， 476以及DE29718004. 5。 電池的加熱是電解質(zhì)混合的另一種可能性。如果電池在它的底面上或者在側(cè)壁的 下部區(qū)域中被加熱，除了產(chǎn)生想要的電池的加熱，還產(chǎn)生電解質(zhì)的垂直向上定向的對流流 動，這同樣有助于電解質(zhì)混合。 —方面存在對盡可能好的和快速的混合的要求，而另一方面必須避免電池的局部 過熱，因為否則會不可逆轉(zhuǎn)地?fù)p壞電極。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)這兩個方面，本發(fā)明的任務(wù)在于，借助熱引起的對流流動來加強(qiáng)混合，而不會使電極過熱和損壞。此外該解決方案應(yīng)該是特別簡單，可靠并成本經(jīng)濟(jì)的。
該任務(wù)利用按照權(quán)利要求1和3的液體電解質(zhì)電池解決，該電池具有帶有側(cè)壁、底 板和蓋子的殼體。在池殼體中垂直豎立地布置有板形的電極。該殼體利用液體電解質(zhì)填充， 它的液面位于電極板的上棱邊上方。在電極板的端面所指向的殼體壁之一上布置有液體電 解質(zhì)循環(huán)裝置，該液體電解質(zhì)循環(huán)裝置具有下述特征流動通道板平行于電極板的垂直棱 邊布置。在流動通道板和殼體壁之間構(gòu)成具有預(yù)定的橫截面的流動通道。在殼體壁的外側(cè) 面上，在流動通道的下端部區(qū)段的區(qū)域中布置有加熱器。此外設(shè)有排流板，它在液面上方水 平地超殼體中心延伸，并且在一側(cè)與流動通道板的上棱邊連接。
該流動通道的橫截面按照權(quán)利要求1這樣選擇，當(dāng)加熱器開始運(yùn)行前平均的電池 溫度在-30攝氏度和-10攝氏度之間時，根據(jù)可提供的加熱功率保證最大可能的電解質(zhì)通 過量，也就是說，在排流板上每單位時間流出的最大電解質(zhì)體積。
這種關(guān)系在下面說明 在用于改善熱電解質(zhì)混合的試驗中揭示了一種現(xiàn)象，它下面稱為"煙囪效應(yīng)"。
如果電池的加熱器進(jìn)入工作，在流動通道的被加熱區(qū)段中的電解質(zhì)就被加熱并由
此引起向上流動。因為流動通道的液柱的這個加熱區(qū)段相對處于它上面的冷液柱的相對長
的區(qū)段是較短的，于是在加熱器剛剛接通后只產(chǎn)生很小的向上流動，不過它隨著加熱器的
增加的工作時間逐步變大，并最終達(dá)到最大值。這個最大值取決于流動通道的橫截面大小
和橫截面形狀，并且也取決于其它的因素，如電解質(zhì)的粘度。迄今關(guān)于液體電解質(zhì)循環(huán)裝置
的結(jié)構(gòu)總是以最優(yōu)的動力混合為基礎(chǔ)，但是沒有給予熱混合關(guān)注。針對動力混合以及同時
靜力熱混合對液體電解質(zhì)循環(huán)裝置進(jìn)行優(yōu)化，這在物理學(xué)上是不可能的。 已經(jīng)確定，如果流動通道的橫截面大小和橫截面形狀這樣選擇，使得特別在低溫
范圍內(nèi)實現(xiàn)"煙囪效應(yīng)"以及由此最大可能的電解質(zhì)通過量，則可以改善電池功率并且延長
電池壽命。 在前面所述的技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，專業(yè)人員可以通過計算或者通過簡單的試驗確 定流動通道的最優(yōu)的橫截面大小和橫截面形狀。 流動通道到最大可能的"煙囪效應(yīng)"的優(yōu)化，由相關(guān)的流體技術(shù)的專業(yè)人員實施。
計算出的橫截面可以接著根據(jù)經(jīng)驗檢查并在必要時修正。對此使流動通道針對形狀和橫截
面改變，并且在這種情況下測量在低溫范圍內(nèi)的在排流板上流出的電解質(zhì)體積。 也可以純根據(jù)經(jīng)驗借助少量試驗求出優(yōu)化的橫截面。根據(jù)經(jīng)驗的費(fèi)用對此是較小
的，因為對于矩形的電池箱已經(jīng)固定一些參數(shù)。流動通道具有與電池殼體的高度相當(dāng)?shù)拇_
定長度，以及與電池電芯的寬度相對的確定長度。此外流動通道的橫截面大多是矩形的。因
此只有流動通道的深度可以變化，不過如果以起動電池平均大小為基礎(chǔ)，變化只可能在幾
毫米的范圍內(nèi)。 按照權(quán)利要求2，在第一液體電解質(zhì)循環(huán)裝置對面布置有另一個同樣尺寸的液體 電解質(zhì)循環(huán)裝置，由此使電解質(zhì)還要快速地混合和加熱。 按照權(quán)利要求3，同樣在第一液體電解質(zhì)循環(huán)裝置對面布置有另一個液體電解質(zhì) 循環(huán)裝置，不過該另一個液體電解質(zhì)循環(huán)裝置的流動通道的橫截面匹配另一個溫度范圍。 第一橫截面優(yōu)化到-30度至-15度的溫度范圍上，而第二橫截面優(yōu)化到-15度至0度的溫 度范圍上。
利用本發(fā)明由此獲得一種利用液體電解質(zhì)填充的電池，它在低溫范圍內(nèi)并且無運(yùn) 動時已經(jīng)能夠具有優(yōu)化的熱電解質(zhì)混合。


本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點由下面的實施例說明結(jié)合所附示意圖給出。
圖la、b示出了根據(jù)本發(fā)明的電池電芯的剖視圖，
圖2示出了本發(fā)明作為基礎(chǔ)的流體技術(shù)效應(yīng)的線圖， 圖3示意示出了流動通道的大小和每時間單位的最優(yōu)體積流量之間的關(guān)系，
圖4示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的空的電池箱。 本發(fā)明的下面的說明以根據(jù)圖5的現(xiàn)有技術(shù)開始，因為由此本發(fā)明更容易理解。
具體實施例方式
圖5示出了具有6個電芯的電池箱。不過所有下面的說明只涉及一個唯一的電芯， 其中這個電芯在圖la和lb中作為按照圖5的lc方向的剖視圖示出。因為該電芯也是獨(dú) 立的電池，于是下面只討論電池，因為本發(fā)明不僅可用于單個的電芯，而且可用于多個電芯 的組合。 按照圖la，在垂直的殼體壁lb和電極板2的側(cè)面棱邊之間布置有流動通道板3， 這樣在該流動通道板3和殼體壁lb之間構(gòu)成了流動通道4。該流動通道板3的上棱邊位 于電解質(zhì)液面5的范圍內(nèi)并且與排流板6連接，該排流板平行于電極板2的上棱邊朝殼體 中心延伸。在流動通道4的下端部區(qū)段的區(qū)域中在外面在殼體側(cè)面lb上布置有電阻加熱 器7。流動通道4具有與電池殼體的高度相當(dāng)?shù)拈L度，和與電池電芯的寬度相當(dāng)?shù)膶挾?，?及與通道板和電池電芯的側(cè)壁之間的距離相當(dāng)?shù)纳疃?圖4)。對下面的研究，假設(shè)流動通 道的寬度是恒定的，這樣流動通道的橫截面變化只通過深度b的變化產(chǎn)生。在圖la中的箭 頭表示在接通的加熱器7的情況下的電解質(zhì)流動。通道深度以bl表示。在圖lb中的箭頭 比在圖la中的長度更長并且表示更高的流動速度。更高的流動速度由小于深度bl的深度 b2產(chǎn)生。 現(xiàn)在能求出最優(yōu)的出現(xiàn)最強(qiáng)體積流量的橫截面。下面詳細(xì)說明，如何能夠根據(jù)經(jīng) 驗求出流動通道的最優(yōu)的橫截面對此首先從大的橫截面開始，在這種情況下只能視覺識 別出弱的對流。在流動通道板的上棱邊上布置熱偶元件，它與溫度測量設(shè)備通過電路技術(shù) 連接。加熱器被接通，并且確定基于時間的溫度曲線。如果溫度曲線只連續(xù)上升，則存在太 弱的對流。不過如果溫度在上升后重新略微下降，則是出現(xiàn)更強(qiáng)的對流的指示。發(fā)明者由此 出發(fā)，即它涉及一種"煙囪效應(yīng)"，如由爐子已知的那樣，也就是說，如果爐子要很好地燃燒， 產(chǎn)生的廢氣必須很好地引開并且供應(yīng)新鮮空氣。這只有在相應(yīng)配置爐子以及特別是相應(yīng)配 置廢氣通道的情況下才可能。 這取決于在流動通道中產(chǎn)生"煙囪效應(yīng)"，這種效應(yīng)可以通過確定溫度_時間曲線 容易地證明。從具有大的橫截面的流動通道出發(fā)，它通過深度的減小逐漸變小，并且然后總 是求出溫度_時間曲線，直到出現(xiàn)在圖2中示出的表示特征的溫度_時間曲線。
不過這不僅取決于在流動通道中達(dá)到高的電解質(zhì)流動速度，而且要達(dá)到電解質(zhì)盡 可能大的體積流量。因此溫度測量只給出最優(yōu)的流動橫截面的第一指示。橫截面的最終優(yōu)化現(xiàn)在可以利用簡單的測量技術(shù)措施進(jìn)行。那么可以例如截取在排流板上流出的電解質(zhì)體 積并且稱重量。通過橫截面的變大或者縮小并且通過分別流出的電解質(zhì)體積的互相比較， 可以求出每時間單位通過它能流出最大電解質(zhì)體積的橫截面。 專業(yè)人員都清楚，最優(yōu)的橫截面的確定即使沒有前面所述的溫度測量也是可以 的，不過由此可能提高在體積確定時的測量技術(shù)的費(fèi)用。在這種情況下，同樣從大的橫截面 出發(fā)，該橫截面逐漸減小，直到找到橫截面Aift，也就是說，具有最大的電解質(zhì)體積輸送效
率的橫截面。最優(yōu)的橫截面的確定在-io攝氏度的電解質(zhì)溫度下進(jìn)行。專業(yè)人員都清楚，
在優(yōu)化步驟期間電解質(zhì)必須保持在平均的恒定的溫度上，在本例中保持在-io攝氏度，以 排除不同粘度的流體技術(shù)影響。該說明不適合于借助加熱器加熱的電解質(zhì)體積。
在圖3中示意示出了體積流量大小和流動通道的橫截面之間的關(guān)系，其中該示意 圖總是只適用于確定的溫度范圍，因為粘度取決于溫度。 圖4a示出了與圖la相同的示意圖，不過具有第二液體電解質(zhì)循環(huán)裝置，該第二液 體電解質(zhì)循環(huán)裝置具有相同的通道橫截面A，這樣在預(yù)定的溫度范圍下在兩側(cè)進(jìn)行混合。
圖4b示出拉與圖4a相同的示意圖，同樣具有第二液體電解質(zhì)循環(huán)裝置，不過其中 通道橫截面A由于不同的深度b2、b3是不同的。因此在預(yù)定的溫度范圍T1下，只借助右側(cè) 的液體電解質(zhì)循環(huán)裝置進(jìn)行混合，在另一個溫度范圍T2下，借助左側(cè)的液體電解質(zhì)循環(huán)裝 置進(jìn)行混合。 因此利用本發(fā)明的實施方式可以在大溫度范圍上優(yōu)化混合。所述的實施方式只是 本發(fā)明的可能的實施方式的少數(shù)幾個。從所述的實施方式出發(fā)，專業(yè)人員可以完全獲取本 發(fā)明的技術(shù)理論。很明顯，該實施方式可以通過專業(yè)人員借助根據(jù)本發(fā)明的理論進(jìn)一步開 發(fā)和改變或者組合。因此這些未明確列舉或者示出的其它的實施方式也在下面的權(quán)利要求 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
液體電解質(zhì)電池，它具有-殼體(1)，該殼體具有殼體側(cè)壁(1a，1b，1c，1d)、底板和蓋子，-電極板(2)，該電極板垂直豎立地布置在殼體(1)中，-液體電解質(zhì)，該液體電解質(zhì)在殼體(1)中的液面(5)直至超過電極板(2)的上棱邊，以及-液體電解質(zhì)循環(huán)裝置，該液體電解質(zhì)循環(huán)裝置至少具有下述特征-流動通道板(3)，該流動通道板平行于電極板(2)的垂直棱邊布置，并且與殼體壁(1b)一起構(gòu)成具有預(yù)定的橫截面(A)的流動通道(4)，該流動通道用于引導(dǎo)從下向上的對流流動，-排流板(6)，該排流板在液面(5)上方水平地朝殼體中心延伸，并且與流動通道板(3)的上棱邊連接，以及-電加熱器(7)，該加熱器在殼體壁(1b)的外側(cè)面上布置在流動通道(4)的下端部區(qū)段的區(qū)域中，其特征在于，所述橫截面(A)的大小和形狀這樣選擇，使得當(dāng)加熱器接通并且電池沒有運(yùn)動時，在平均電解質(zhì)溫度為-30攝氏度至-10攝氏度的情況下，在排流板(6)上每時間單位流出最大的電解質(zhì)體積。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，在所述第一個電解質(zhì)循環(huán)裝置對面布置 有另 一液體電解質(zhì)循環(huán)裝置。
3. 液體電解質(zhì)電池，它具有_殼體(1)，該殼體具有殼體側(cè)壁(la， lb， lc， ld)、底板和蓋子， _電極板(2)，該電極板垂直豎立地布置在殼體(1)中，-液體電解質(zhì)，該液體電解質(zhì)在殼體(1)中的液面(5)直至超過電極板(2)的上棱邊，以及_兩個液體電解質(zhì)循環(huán)裝置，它們分別至少具有下述特征-流動通道板(3)，該流動通道板平行于電極板(2)的垂直棱邊布置，并且與殼體壁 (lb) —起構(gòu)成具有預(yù)定的橫截面(A)的流動通道(4)，該流動通道(4)用于引導(dǎo)從下向上 的對流流動，-排流板(6)，該排流板在液面(5)上方水平地朝殼體中心延伸，并與流動通道板(3) 的上棱邊連接，以及_電加熱器(7)，該加熱器在殼體壁(lb)的外側(cè)面上布置在流動通道(4)的下端部區(qū) 段的區(qū)域中，其特征在于，-所述第一液體電解質(zhì)循環(huán)裝置的橫截面(Al)的大小和形狀這樣選擇，使得當(dāng)加熱器 接通并且電池沒有運(yùn)動時，在平均電解質(zhì)溫度為-30攝氏度至-15攝氏度的情況下，在排流 板(6)上每時間單位流出最大的電解質(zhì)體積，并且-所述第二液體電解質(zhì)循環(huán)裝置的橫截面(A2)的大小和形狀這樣選擇，使得在平均電 解質(zhì)溫度為_15攝氏度至0攝氏度的情況下，在排流板(6)上每時間單位流出最大的電解 質(zhì)體積。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液體電解質(zhì)電池，例如鉛酸電池，該鉛酸電池例如作為起動電池使用在車輛中。在該電池的至少一側(cè)上設(shè)有熱液體電解質(zhì)循環(huán)裝置，它具有流體技術(shù)中最優(yōu)的橫截面。
文檔編號H01M2/02GK101720516SQ200780016698
公開日2010年6月2日 申請日期2007年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者C·G·鮑爾, S·奇爾克 申請人:Iq電力許可股份公司