БАТАРЕЯ С УСТРОЙСТВОМ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА Российский патент 2017 года по МПК H01M2/38 H01M10/12 

Изобретение относится к батарее с жидким электролитом, которая предпочтительно используется в транспортных средствах, таких как, например, легковые автомобили, лодки или самолеты, и имеет устройство для перемешивания электролита.

Стремление автомобильной промышленности к облегчению конструкции относится также к сокращению веса батареи. Тем не менее одновременно возрастает требование к более высокой мощности батареи, так как наряду с обычной энергией для запуска, например, легкового автомобиля также требуется энергия для дополнительных агрегатов, таких как электрические стеклоподъемники, сервомоторы для регулировки сидений, а также для электрического подогрева сидений. Кроме того, желательно, чтобы мощность батареи в течение срока службы батареи по возможности сохранялась на постоянном максимально высоком уровне, так как влияющие на безопасность функциональные блоки, такие как рулевой механизм и тормозной механизм, также все больше управляются и приводятся в действие электричеством. В дальнейшем под мощностью батареи понимается емкость батареи, а также способность батареи к отдаче тока или к приему тока. На мощность батареи оказывают влияние различные известные специалисту факторы.

Из уровня техники известны меры, направленные на то, чтобы повысить мощность батареи с жидким электролитом, такой как, например, свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Наибольшей проблемой у свинцово-кислотных аккумуляторных батарей является так называемое расслоение кислоты, то есть концентрация кислоты относительно поверхности электродов неравномерна. Это является причиной того, что электроды в тех местах, в которых концентрация кислоты слишком высока, корродируют, так что срок службы батареи сокращается, а из-за тех мест электродов, в которых концентрация кислоты слишком низка, батарея не достигает своей полной мощности.

В дальнейшем электролит всегда называется кислотой, так как в большинстве случаев применения этого изобретения речь идет о свинцово-кислотных аккумуляторных батареях. Тем не менее изобретение может использоваться в любой батарее с жидким электролитом, чей электролит имеет склонность к расслоению.

Поэтому были разработаны различные устройства и способы для того, чтобы перемешивать кислоту, чтобы концентрация кислоты была по возможности одинаковой во всех частях объема батареи. У стационарных батарей в электролит нагнетается, например, воздух.

Для батарей транспортных средств известны устройства перемешивания кислоты, которые используют инерцию кислоты во время процессов ускорения. Эта техника известна специалисту, так что лишь в качестве примера дается ссылка на документы US 4963444 и DE 29718004.5.

Существуют стартерные батареи с наиболее высоким конструктивным исполнением. У этих стартерных батарей имеющаяся в подъемном канале кислота должна нагнетаться посредством ускорения через большее расстояние снизу вверх, для чего требуется большая энергия. Так как энергия для перемещения кислоты в канале производится ускорением транспортного средства, ее величина ограничена.

Таким образом, задача изобретения состоит в предоставлении батареи с устройством перемешивания электролита, которое эффективно настолько, что хорошо перемешиваются даже батареи с более высоким конструктивным исполнением.

Эта задача решается с помощью батареи по пункту 1 формулы изобретения, причем батарея имеет следующее:

Корпус батареи с боковыми стенками, дном корпуса и крышкой. Эта компоновка образует аккумулятор. Как правило, несколько из таких аккумуляторов объединены в батарею с многоящичным корпусом. В предпочтительно прямоугольном корпусе батареи вертикально расположены пластинчатые электроды. Электроды полностью покрыты кислотой.

По меньшей мере у одной боковой стенки корпуса батареи на определенном расстоянии от нее и параллельно ей расположена проточно-канальная пластина, так что между стенкой корпуса батареи и проточно-канальная пластиной образован вертикальный и непроницаемый для жидкости проточный канал. Альтернативно этому выполнению проточный канал может быть также выполнен в виде двустенной проточно-канальной пластины, то есть в виде сильно сплющенной трубки с щелеобразным поперечным сечением пустого пространства.

Таким образом, верхний конец проточного канала является выпускной прорезью. Рядом с выпускной прорезью предусмотрена смесительная ванна, которая имеет вертикальные боковые стенки и горизонтальное дно. Граничащая с выпускной прорезью боковая стенка смесительной ванны образует переливное ребро выпускной прорези. Дно смесительной ванны всегда расположено ниже предусмотренного согласно режиму работы минимального уровня кислоты и снабжено по меньшей мере одним донным отверстием с заданным поперечным сечением.

Как разъяснено еще более подробно в примере осуществления, во время ускорения транспортного средства, а значит, и батареи определенное количество кислоты нагнетается через вертикальный проточный канал вверх, так что кислота вытекает из выпускной прорези и перетекает через переливное ребро в смесительную ванну. Так как проточно-канальная пластина простирается, по меньшей мере, до нижней трети объема кислоты, а имеющаяся там кислота имеет более высокую плотность, то кислота с этой более высокой плотностью направляется в смесительную ванну.

Одновременно с поступлением кислоты более высокой плотности в смесительную ванну во время ускорения также легкая кислота, то есть кислота с более низкой плотностью, которая находится под смесительной ванной, нагнетается через донное отверстие в смесительную ванну.

Таким образом, в смесительной ванне происходит перемешивание кислоты с более высокой плотностью и кислоты с более низкой плотностью.

Другими словами, в состоянии покоя батареи кислота с более низкой плотностью находится в смесительной ванне, так как смесительная ванна через донное отверстие соединена с объемом кислоты батареи. Во время ускорения через донное отверстие дополнительная кислота с более низкой плотностью нагнетается в смесительную ванну, и одновременно через проточный канал более плотная кислота направляется из нижней области объема моноблока батареи в смесительную ванну. Таким образом, во время ускорения транспортного средства, а значит, и батареи в смесительной ванне больше кислоты, чем в состоянии покоя.

Перемешанная в смесительной ванне после процесса ускорения кислота, называемая в дальнейшем смешанной кислотой, имеет несколько более высокую плотность, чем поступившая через донное отверстие кислота и чем уже имеющаяся в смесительной ванне перед процессом перемешивания кислота. При уменьшении ускорения до нулевого значения большее количество имеющейся теперь в смесительной ванне смешанной кислоты перетекает обратно в моноблок через донное отверстие, а меньшее количество - через проточный канал, пока снова не будет установлен нормальный уровень кислоты.

При помощи перемешивания объемов кислоты разной плотности в смесительной ванне даже у батарей с большей конструктивной высотой вызывается существенно лучшее перемешивание, чем при известных из уровня техники решениях.

Более быстрая циркуляция электролита вызывает также быстрое выравнивание температуры внутри аккумулятора, вследствие чего увеличивается срок службы батареи. Этот аспект имеет значение, если батарея установлена, например, в двигательном отсеке транспортного средства и с одной стороны нагревается тепловым излучением двигателя. В этом отношении изобретение обеспечивает также и для стандартных батарей положительные эффекты, такие как больший срок службы и лучшая возможность по приему тока, а также отдаче тока.

Согласно пункту 2 формулы изобретения вызывается еще большее улучшение перемешивания, если донное отверстие смесительной ванны предусмотрено в том месте, в котором кислота с более высокой плотностью поступает на дно смесительной ванны, то есть непосредственно рядом с выпускной прорезью. Так как переливание более плотной кислоты сверху в смесительную ванну и поступление более разбавленной кислоты снизу происходят почти одновременно, встречающиеся непосредственно друг с другом объемы кислоты завихряются и таким образом хорошо перемешиваются друг с другом.

Согласно пункту 3 формулы изобретения во внутрилежащей стенке смесительной ванны предусмотрено отверстие, которое дополнительно улучшает перемешивание.

Согласно пункту 4 формулы изобретения предусмотрена вторая смесительная ванна, которая прилегает к внутрилежащей стенке первой смесительной ванны, причем в дне второй смесительной ванны предусмотрено по меньшей мере одно донное отверстие. Вследствие этого перемешивание улучшается еще больше.

Согласно пункту 5 формулы изобретения дно второй смесительной ванны расположено на высоте максимального уровня кислоты, то есть дно второй смесительной ванны расположено выше, чем дно первой смесительной ванны. Вследствие этого перемешивание дополнительно улучшается.

Далее изобретение разъясняется более подробно при помощи примера осуществления.

На чертежах показаны:

Фиг.1 - поперечный разрез одной камеры моноблока батареи и уровень кислоты на первой фазе;

Фиг.2 - то же по Фиг.1 и уровень кислоты на второй фазе;

Фиг.3 - то же по Фиг.1 и уровень кислоты на третьей фазе;

Фиг.4 - то же по Фиг.1 и уровень кислоты на четвертой фазе;

Фиг.5 - то же по Фиг.1 и уровень кислоты на пятой фазе, которая идентична первой фазе;

Фиг.6а, b - то же по Фиг.1 в модифицированном варианте осуществления и вид сверху на него;

Фиг.7 - вид в перспективе устройства перемешивания с двумя смесительными ваннами;

Фиг.8 - вид в перспективе устройства перемешивания с двумя смесительными ваннами во втором варианте осуществления; и

Фиг.9 - вид в перспективе пустого моноблока батареи с шестью камерами.

Фиг.1 показывает поперечный разрез одной камеры моноблока батареи. Камера 1 моноблока батареи имеет прямоугольное поперечное сечение с дном 2 и четырьмя боковыми стенками, причем на этом изображении можно увидеть только боковые стенки 3 и 4. Ссылочной позицией 5 обозначены пластинчатые электроды, а ссылочной позицией 6 - аккумуляторная кислота, чей уровень 7 находится между максимальным уровнем 7а и минимальным уровнем 7b. Как видно из чертежа, отмеченный уровень находится на отметке максимального уровня 7а.

Между боковой стенкой 3 и электродами 5 вертикально расположена проточно-канальная пластина 8, так что образуется проточный канал 9. Таким образом, конец проточного канала 9 является выпускной прорезью 9а.

Рядом с выпускной прорезью 9а предусмотрена смесительная ванна 10, которая имеет боковые стенки 11а, 11b, 11с и дно 12, причем боковые стенки 11а и 11b можно увидеть только на виде в перспективе по Фиг.8. Верхний конец проточно-канальной пластины 8 образует переливное ребро 13. Дно 12 смесительной ванны 10 всегда находится ниже предусмотренного согласно режиму работы минимального уровня 7b аккумуляторной кислоты 6 и снабжено по меньшей мере одним донным отверстием 14 с заданным поперечным сечением. Рядом со смесительной ванной 10 предусмотрена дополнительная смесительная ванна 15 с донным отверстием 16, которая, однако, является необязательной и лишь способствует дополнительному улучшению перемешивания.

Далее описывается действие устройства перемешивания:

Фиг.1 показывает находящуюся в покое батарею с горизонтальным уровнем 7 электролита. Предполагается, что в батарее произошло расслоение кислоты, то есть кислота на дне батареи имеет более высокую плотность, чем кислота в верхней части батареи и находящаяся в смесительной ванне кислота.

Фиг.2 показывает перемещение кислоты при положительном ускорении транспортного средства в направлении стрелки направо. Такое же действие происходит при отрицательном ускорении налево, то есть при торможении движущегося в направлении стрелки транспортного средства. При этом в смесительной ванне 10 устанавливается проходящий наклонно уровень 7 кислоты. Через проточный канал 9 кислота с более высокой плотностью устремляется вверх и перетекает через переливное ребро 13 в смесительную ванну 10. На этой фазе движения через донное отверстие 14 кислота с более низкой плотностью также устремляется в смесительную ванну 10. Таким образом, теперь в смесительной ванне 10 имеется смешанная кислота, чья плотность ниже, чем плотность кислоты на дне батареи, и выше, чем плотность кислоты в области уровня кислоты.

В смесительной ванне 15, которая является необязательной, благодаря проходящему наклонно уровню кислоты небольшое количество кислоты направляется вниз через донное отверстие 16.

Фиг.3 показывает ситуацию, в которой еще действует постоянное ускорение, однако выравнивающие течения больше не происходят. Поэтому стрелки течений также не отмечены.

Фиг.4 показывает ситуацию, в которой ускорение равно нулю, то есть когда транспортное средство передвигается с постоянной скоростью или стоит на месте. Следовательно, уровни кислоты горизонтальны. Стрелки течений показывают, что выравнивание уровней происходит через все три отверстия 9а, 14 и 16. Отдельно следует отметить то, что благодаря пространственному распределению этих отверстий кислота втекает и вытекает в различных местах, и вследствие этого устанавливается более быстрое перемешивание.

Фиг.5 показывает ситуацию, как на Фиг.1, в которой уровни выровнялись, однако кислота теперь перемешана.

Фиг.6а и 6b показывают модифицированный вариант осуществления изобретения на виде сбоку и на виде сверху. В смесительной ванне 10 донное отверстие 14 расположено поблизости от выпускной прорези 9а. Это приводит к наиболее эффективному перемешиванию устремляющихся друг к другу объемов кислоты различной плотности, что обозначается кольцевой стрелкой. Кроме того, во второй смесительной ванне 15 предусмотрены три донных отверстия 16. Эти отверстия образуются посредством вставленных в дно насквозь трубок, чтобы создавать гидравлическое сопротивление и тем самым вызывать дополнительное завихрение и улучшенное перемешивание кислоты. Этот эффект дополнительно усиливается посредством наклонного расположения трубок 17.

Фиг.7 показывает вид в перспективе устройства перемешивания с двумя смесительными ваннами 10 и 15, причем дно 18 второй смесительной ванны 15 расположено в плоскости максимального уровня аккумуляторной кислоты и имеет выемку 19.

Фиг.8 показывает устройство перемешивания по Фиг.7, которое, однако, отличается от того тем, что внутренняя боковая стенка первой смесительной ванны 10 снабжена щелеобразным отверстием 20.

Следует отметить то, что поперечные сечения донных и боковых отверстий первой смесительной ванны 10 могут быть оптимизированы специалистом. Форма поперечных сечений донных и боковых отверстий не должна быть круглой. У обычных аккумуляторных батарей для легковых автомобилей поперечные сечения имеющихся в дне и в боковых стенках отверстий соответствуют поперечным сечениям круглых отверстий с диаметром от 1,2 до 10 мм, а у батарей для грузовых автомобилей - круглых отверстий с диаметром от 5 до 20 мм.

Фиг.9 показывает пустой моноблок с 6 камерами, причем в каждой камере может быть расположено устройство перемешивания, например, согласно Фиг.8.

Изобретение относится к батарее с жидким электролитом, которая предпочтительно используется в транспортных средствах, причем батарея имеет следующие признаки: корпус (1) батареи с боковыми стенками (3, 4), дном (2) корпуса и крышкой, жидкий электролит (6), уровень (7) которого находится в заранее заданных допустимых пределах (7а, 7b), электроды (5), по меньшей мере у одной боковой стенки (3) расположена проточно-канальная пластина (8), так что образован проточный канал (9), причем верхний конец проточного канала (9) служит в качестве выпускной прорези (9а), над электродами (5) расположена смесительная ванна (10) с дном (12) смесительной ванны и боковыми стенками (11а, 11b, 11c) смесительной ванны, при этом граничащая с выпускной прорезью (9а) боковая стенка смесительной ванны выполнена в виде переливного ребра (13), дно (12) смесительной ванны расположено ниже предусмотренного согласно режиму работы минимального уровня (7b) жидкого электролита (6), и в дне (12) смесительной ванны предусмотрено по меньшей мере одно донное отверстие (14). Улучшение перемешивания объемов кислоты разной плотности в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее, а также в любой батарее с жидким электролитом, чей электролит имеет склонность к расслоению, является техническим результатом изобретения. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Батарея с устройством перемешивания электролита, причем батарея имеет следующие признаки:

- корпус (1) батареи с боковыми стенками (3, 4), дном (2) корпуса и крышкой,

- жидкий электролит (6), уровень (7) которого находится в заранее заданных допустимых пределах (7а, 7b),

- электроды (5), которые расположены в жидком электролите (6),

- по меньшей мере у одной боковой стенки (3) на определенном расстоянии от нее и параллельно ей расположена проточно-канальная пластина (8), так что между боковой стенкой (3) корпуса (1) батареи и проточно-канальной пластиной (8) образован проточный канал (9), причем верхний конец проточного канала (9) выполнен в виде выпускной прорези (9а), а нижний конец проточного канала (9) расположен в нижней трети объема батареи,

- над электродами (5) расположена смесительная ванна (10) с дном (12) смесительной ванны и боковыми стенками (11а, 11b, 11c) смесительной ванны,

при этом

- граничащая с выпускной прорезью (9а) боковая стенка смесительной ванны вверху выполнена в виде переливного ребра (13),

- дно (12) смесительной ванны расположено ниже предусмотренного согласно режиму работы минимального уровня (7b) жидкого электролита (6), и

- в дне (12) смесительной ванны предусмотрено по меньшей мере одно донное отверстие (14).

2. Батарея по п. 1, при этом донное отверстие (14) смесительной ванны (10) предусмотрено в том месте, в котором жидкий электролит при переливании через переливное ребро (13) поступает на дно смесительной ванны.

3. Батарея по п. 2, при этом во внутрилежащей боковой стенке (11с) смесительной ванны предусмотрено отверстие.

4. Батарея по п. 1, при этом в качестве второй смесительной ванны предусмотрена смесительная ванна (15), которая прилегает к внутрилежащей боковой стенке (11с) первой смесительной ванны (10), и дно (18) второй смесительной ванны имеет по меньшей мере одно донное отверстие (16, 19).

5. Батарея по п. 4, при этом дно (18) второй смесительной ванны (15) расположено на высоте максимального уровня (7а) кислоты (6).