专利名称：具有借助对流流动进行的电解质混合的液体电解质电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液体电解质电池，例如铅酸电池，该铅酸电池例如作为起动电池
使用在车辆中。
背景技术：
对汽车工业中轻型构造方面的努力亦涉及到电池重量的削减。同时对电池功率 的要求也越来越高，因为除了传统的用于启动例如小型汽车的能量之外还需要为附加的设 备、例如电动升窗器、用于调节座椅或亦用于电加热座椅的伺服马达提供能量。此外还希望 电池功率在电池的整个寿命期间都尽可能保持在一个恒定的较高水平上，因为这样一来也 可以对就安全性来讲意义重大的功能单元、例如转向和制动进行电控制和操作。电池功率 从下面起可理解为电池的容量以及电池的用于放出电流或用于接收电流的能力。电池功率 会受到各种对于技术人员来说已知的因素的影响。 由现有技术已知不同的措施，以提高液体电解质电池，例如铅酸电池的功率。对于 这种电池特别的问题是，电池功率对电池温度具有很强的依赖性。在允许的工作范围内每 摄氏度电容下降约0. 6至0. 8%或者更多。如果假设，最优的工作温度在约30摄氏度并且 电池被置于零下20摄氏度的温度，那么它的电容仅还为设计电容的约60%并且由此例如 造成车辆的起动的操作困难。 不过专业人员还已知，其它的影响因素也会减小电池的电容。重要的影响因素是 所谓酸的层积，也就是说，酸浓度相对电极表面是不均匀的。这导致，电极板在酸浓度过高 的位置上受腐蚀，这样减小了电池的寿命，并且在酸浓度过小的电极位置上电池不能达到 它的全部功率。 因此开发了不同的装置和方法，以循环电解质，由此使酸浓度在电池的所有体积 部分中一样大。对于静止的电池例如将空气吹入电解质中。对于车辆电池已经公开了电解 质混合装置，它也称为流体静力的泵。在此涉及流体技术的障碍，它将液体朝预定的方向挤 压。该装置仅对于运动着的车辆有效，因为它结合液体电解质的惯性力利用制动过程和加 速过程。 该技术对专业人员是已知的，这样只示例列举文献US4， 963， 444 ;US5， 096， 787和 US5， 032， 476以及DE29718004. 5。 电池的加热是电解质混合的另一种可能性。如果电池在它的底面上或者在侧壁的 下部区域中被加热，除了产生想要的电池的加热，还产生电解质的垂直向上定向的对流流 动，这同样有助于电解质混合。 —方面存在对尽可能好的和快速的混合的要求，而另一方面必须避免电池的局部 过热，因为否则会不可逆转地损坏电极。
发明内容
为了实现这两个方面，本发明的任务在于，借助热引起的对流流动来加强混合，而不会使电极过热和损坏。此外该解决方案应该是特别简单，可靠并成本经济的。
该任务利用按照权利要求1和3的液体电解质电池解决，该电池具有带有侧壁、底 板和盖子的壳体。在池壳体中垂直竖立地布置有板形的电极。该壳体利用液体电解质填充， 它的液面位于电极板的上棱边上方。在电极板的端面所指向的壳体壁之一上布置有液体电 解质循环装置，该液体电解质循环装置具有下述特征流动通道板平行于电极板的垂直棱 边布置。在流动通道板和壳体壁之间构成具有预定的横截面的流动通道。在壳体壁的外侧 面上，在流动通道的下端部区段的区域中布置有加热器。此外设有排流板，它在液面上方水 平地超壳体中心延伸，并且在一侧与流动通道板的上棱边连接。
该流动通道的横截面按照权利要求1这样选择，当加热器开始运行前平均的电池 温度在-30摄氏度和-10摄氏度之间时，根据可提供的加热功率保证最大可能的电解质通 过量，也就是说，在排流板上每单位时间流出的最大电解质体积。
这种关系在下面说明 在用于改善热电解质混合的试验中揭示了一种现象，它下面称为"烟囱效应"。
如果电池的加热器进入工作，在流动通道的被加热区段中的电解质就被加热并由
此引起向上流动。因为流动通道的液柱的这个加热区段相对处于它上面的冷液柱的相对长
的区段是较短的，于是在加热器刚刚接通后只产生很小的向上流动，不过它随着加热器的
增加的工作时间逐步变大，并最终达到最大值。这个最大值取决于流动通道的横截面大小
和横截面形状，并且也取决于其它的因素，如电解质的粘度。迄今关于液体电解质循环装置
的结构总是以最优的动力混合为基础，但是没有给予热混合关注。针对动力混合以及同时
静力热混合对液体电解质循环装置进行优化，这在物理学上是不可能的。 已经确定，如果流动通道的横截面大小和横截面形状这样选择，使得特别在低温
范围内实现"烟囱效应"以及由此最大可能的电解质通过量，则可以改善电池功率并且延长
电池寿命。 在前面所述的技术理论的基础上，专业人员可以通过计算或者通过简单的试验确 定流动通道的最优的横截面大小和横截面形状。 流动通道到最大可能的"烟囱效应"的优化，由相关的流体技术的专业人员实施。
计算出的横截面可以接着根据经验检查并在必要时修正。对此使流动通道针对形状和横截
面改变，并且在这种情况下测量在低温范围内的在排流板上流出的电解质体积。 也可以纯根据经验借助少量试验求出优化的横截面。根据经验的费用对此是较小
的，因为对于矩形的电池箱已经固定一些参数。流动通道具有与电池壳体的高度相当的确
定长度，以及与电池电芯的宽度相对的确定长度。此外流动通道的横截面大多是矩形的。因
此只有流动通道的深度可以变化，不过如果以起动电池平均大小为基础，变化只可能在几
毫米的范围内。 按照权利要求2，在第一液体电解质循环装置对面布置有另一个同样尺寸的液体 电解质循环装置，由此使电解质还要快速地混合和加热。 按照权利要求3，同样在第一液体电解质循环装置对面布置有另一个液体电解质 循环装置，不过该另一个液体电解质循环装置的流动通道的横截面匹配另一个温度范围。 第一横截面优化到-30度至-15度的温度范围上，而第二横截面优化到-15度至0度的温 度范围上。
利用本发明由此获得一种利用液体电解质填充的电池，它在低温范围内并且无运 动时已经能够具有优化的热电解质混合。
本发明其它的特征和优点由下面的实施例说明结合所附示意图给出。
图la、b示出了根据本发明的电池电芯的剖视图，
图2示出了本发明作为基础的流体技术效应的线图， 图3示意示出了流动通道的大小和每时间单位的最优体积流量之间的关系，
图4示出了按照现有技术的空的电池箱。 本发明的下面的说明以根据图5的现有技术开始，因为由此本发明更容易理解。
具体实施例方式
图5示出了具有6个电芯的电池箱。不过所有下面的说明只涉及一个唯一的电芯， 其中这个电芯在图la和lb中作为按照图5的lc方向的剖视图示出。因为该电芯也是独 立的电池，于是下面只讨论电池，因为本发明不仅可用于单个的电芯，而且可用于多个电芯 的组合。 按照图la，在垂直的壳体壁lb和电极板2的侧面棱边之间布置有流动通道板3， 这样在该流动通道板3和壳体壁lb之间构成了流动通道4。该流动通道板3的上棱边位 于电解质液面5的范围内并且与排流板6连接，该排流板平行于电极板2的上棱边朝壳体 中心延伸。在流动通道4的下端部区段的区域中在外面在壳体侧面lb上布置有电阻加热 器7。流动通道4具有与电池壳体的高度相当的长度，和与电池电芯的宽度相当的宽度，以 及与通道板和电池电芯的侧壁之间的距离相当的深度(图4)。对下面的研究，假设流动通 道的宽度是恒定的，这样流动通道的横截面变化只通过深度b的变化产生。在图la中的箭 头表示在接通的加热器7的情况下的电解质流动。通道深度以bl表示。在图lb中的箭头 比在图la中的长度更长并且表示更高的流动速度。更高的流动速度由小于深度bl的深度 b2产生。 现在能求出最优的出现最强体积流量的横截面。下面详细说明，如何能够根据经 验求出流动通道的最优的横截面对此首先从大的横截面开始，在这种情况下只能视觉识 别出弱的对流。在流动通道板的上棱边上布置热偶元件，它与温度测量设备通过电路技术 连接。加热器被接通，并且确定基于时间的温度曲线。如果温度曲线只连续上升，则存在太 弱的对流。不过如果温度在上升后重新略微下降，则是出现更强的对流的指示。发明者由此 出发，即它涉及一种"烟囱效应"，如由炉子已知的那样，也就是说，如果炉子要很好地燃烧， 产生的废气必须很好地引开并且供应新鲜空气。这只有在相应配置炉子以及特别是相应配 置废气通道的情况下才可能。 这取决于在流动通道中产生"烟囱效应"，这种效应可以通过确定温度_时间曲线 容易地证明。从具有大的横截面的流动通道出发，它通过深度的减小逐渐变小，并且然后总 是求出温度_时间曲线，直到出现在图2中示出的表示特征的温度_时间曲线。
不过这不仅取决于在流动通道中达到高的电解质流动速度，而且要达到电解质尽 可能大的体积流量。因此温度测量只给出最优的流动横截面的第一指示。横截面的最终优化现在可以利用简单的测量技术措施进行。那么可以例如截取在排流板上流出的电解质体 积并且称重量。通过横截面的变大或者縮小并且通过分别流出的电解质体积的互相比较， 可以求出每时间单位通过它能流出最大电解质体积的横截面。 专业人员都清楚，最优的横截面的确定即使没有前面所述的温度测量也是可以 的，不过由此可能提高在体积确定时的测量技术的费用。在这种情况下，同样从大的横截面 出发，该横截面逐渐减小，直到找到横截面Aift，也就是说，具有最大的电解质体积输送效
率的横截面。最优的横截面的确定在-io摄氏度的电解质温度下进行。专业人员都清楚，
在优化步骤期间电解质必须保持在平均的恒定的温度上，在本例中保持在-io摄氏度，以 排除不同粘度的流体技术影响。该说明不适合于借助加热器加热的电解质体积。
在图3中示意示出了体积流量大小和流动通道的横截面之间的关系，其中该示意 图总是只适用于确定的温度范围，因为粘度取决于温度。 图4a示出了与图la相同的示意图，不过具有第二液体电解质循环装置，该第二液 体电解质循环装置具有相同的通道横截面A，这样在预定的温度范围下在两侧进行混合。
图4b示出拉与图4a相同的示意图，同样具有第二液体电解质循环装置，不过其中 通道横截面A由于不同的深度b2、b3是不同的。因此在预定的温度范围T1下，只借助右侧 的液体电解质循环装置进行混合，在另一个温度范围T2下，借助左侧的液体电解质循环装 置进行混合。 因此利用本发明的实施方式可以在大温度范围上优化混合。所述的实施方式只是 本发明的可能的实施方式的少数几个。从所述的实施方式出发，专业人员可以完全获取本 发明的技术理论。很明显，该实施方式可以通过专业人员借助根据本发明的理论进一步开 发和改变或者组合。因此这些未明确列举或者示出的其它的实施方式也在下面的权利要求 的保护范围之内。
权利要求
液体电解质电池，它具有-壳体(1)，该壳体具有壳体侧壁(1a，1b，1c，1d)、底板和盖子，-电极板(2)，该电极板垂直竖立地布置在壳体(1)中，-液体电解质，该液体电解质在壳体(1)中的液面(5)直至超过电极板(2)的上棱边，以及-液体电解质循环装置，该液体电解质循环装置至少具有下述特征-流动通道板(3)，该流动通道板平行于电极板(2)的垂直棱边布置，并且与壳体壁(1b)一起构成具有预定的横截面(A)的流动通道(4)，该流动通道用于引导从下向上的对流流动，-排流板(6)，该排流板在液面(5)上方水平地朝壳体中心延伸，并且与流动通道板(3)的上棱边连接，以及-电加热器(7)，该加热器在壳体壁(1b)的外侧面上布置在流动通道(4)的下端部区段的区域中，其特征在于，所述横截面(A)的大小和形状这样选择，使得当加热器接通并且电池没有运动时，在平均电解质温度为-30摄氏度至-10摄氏度的情况下，在排流板(6)上每时间单位流出最大的电解质体积。
2. 根据权利要求1所述的电池，其特征在于，在所述第一个电解质循环装置对面布置 有另 一液体电解质循环装置。
3. 液体电解质电池，它具有_壳体(1)，该壳体具有壳体侧壁(la， lb， lc， ld)、底板和盖子， _电极板(2)，该电极板垂直竖立地布置在壳体(1)中，-液体电解质，该液体电解质在壳体(1)中的液面(5)直至超过电极板(2)的上棱边，以及_两个液体电解质循环装置，它们分别至少具有下述特征-流动通道板(3)，该流动通道板平行于电极板(2)的垂直棱边布置，并且与壳体壁 (lb) —起构成具有预定的横截面(A)的流动通道(4)，该流动通道(4)用于引导从下向上 的对流流动，-排流板(6)，该排流板在液面(5)上方水平地朝壳体中心延伸，并与流动通道板(3) 的上棱边连接，以及_电加热器(7)，该加热器在壳体壁(lb)的外侧面上布置在流动通道(4)的下端部区 段的区域中，其特征在于，-所述第一液体电解质循环装置的横截面(Al)的大小和形状这样选择，使得当加热器 接通并且电池没有运动时，在平均电解质温度为-30摄氏度至-15摄氏度的情况下，在排流 板(6)上每时间单位流出最大的电解质体积，并且-所述第二液体电解质循环装置的横截面(A2)的大小和形状这样选择，使得在平均电 解质温度为_15摄氏度至0摄氏度的情况下，在排流板(6)上每时间单位流出最大的电解 质体积。
全文摘要
本发明涉及一种液体电解质电池，例如铅酸电池，该铅酸电池例如作为起动电池使用在车辆中。在该电池的至少一侧上设有热液体电解质循环装置，它具有流体技术中最优的横截面。
文档编号H01M2/02GK101720516SQ200780016698
公开日2010年6月2日 申请日期2007年8月16日 优先权日2006年8月16日
发明者C·G·鲍尔, S·奇尔克 申请人:Iq电力许可股份公司