Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchmischen des Elektrolyten einer Flüssigelektrolytbatterie und eine Flüssigelektrolytbatterie mit einer solchen Vorrichtung.

Batterien mit derartigen Vorrichtungen sind an sich bekannt und können in bewegten Fahrzeugen, wie z. B. in PKW, Booten oder Flugzeugen aus folgenden Gründen eingesetzt werden:

Das Streben der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch die Reduzierung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die Anforderung nach höherer Batterieleistung, da neben der ohnehin nötigen Energie zum Starten z. B. eines PKW auch Energie für zusätzliche Aggregate wie elektrische Fensterheber und Stellmotoren zum Verstellen der Sitze oder auch zum Beheizen der Sitze benötigt wird.

Es ist wünschenswert, die Batterieleistung über die Lebensdauer der Batterie möglichst auf einem konstanten und hohen Niveau zu halten, da zunehmend auch sicherheitsrelevante Funktionseinheiten wie Lenkung und Bremsen elektrisch gesteuert und betätigt werden. Unter Batterieleistung werden 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 Maßnahmen bekannt, um die Leistung einer Batterie mit einem flüssigen Elektrolyten, wie z. B. einer Blei-Säure-Bat- terie, zu erhöhen. Ein besonderes Problem bei Flüssigelektrolytbatterien ist die sogenannte Stratifikation des Elektrolyten, d. h. die Konzentration des Flüssigelektrolyten ist bezüglich der Elektrodenfläche nicht gleichmäßig. Das bewirkt, dass die Elektroden an Stellen, an denen die Konzentration des Flüssigelektrolyten zu hoch ist, z. B. korrodieren, sodass sich die Lebensdauer der Batterie vermindert, und dass durch Elektrodenstellen, an denen die Konzentration des Elektrolyten zu gering ist, die Batterie nicht ihre vorgesehene Leistung erreicht.

Die Erfindung kann auf jede Flüssigelektrolytbatterie anwendet werden, deren Elektrolyt zur Stratifikation neigt.

Es sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren entwickelt worden, um den Flüssigelektrolyt zu durchmischen, damit dessen Konzentration in allen Volumenabschnitten der Batterie möglichst gleich groß ist. Bei stationären Batterien wird z. B. Luft in den Elektrolyten eingeblasen.

Für Fahrzeugbatterien sind Elektrolytdurchmischungsvorrichtungen bekannt, bei denen die Massenträgheit des Elektrolyten bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen genutzt wird. Diese Technik der Elektrolytdurchmischung ist dem Fachmann bekannt, sodass lediglich beispielhaft auf die Dokumente US 4,963,444 A und DE 297 18 004 U1 verwiesen wird.

Es gibt Starterbatterien mit einer besonders hohen Bauform. Wenn bei einer solchen Batterie eine Elektrolytdurchmischungsvorrichtung gemäß dem Dokument DE 297 18 004 U1 eingesetzt werden soll, muss durch die Beschleunigung der Batterie der in dem Aufstiegskanal vorhandene Elektrolyt über eine größere Strecke von unten nach oben gedrückt werden. Bei Batterien mit einer höheren Baugröße ist dazu mehr Energie erforderlich als bei Batterien mit einer geringeren Baugröße. Da die Energie zum Bewegen des Elektrolyten im Aufstiegskanal lediglich beim Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeugs erzeugt wird, ist deren Größe begrenzt. Mit anderen Worten, es ist nicht möglich, die Energie durch stärkeres Bremsen oder Be- schleunigen zu erhöhen. Das trifft vor allem bei Bussen oder bei LKW zu, die aufgrund ihrer hohen Gesamtmasse weniger stark beschleunigt werden.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, die Durchmischung des Elektrolyten in einer Flüssigelektrolytbatterie, insbesondere in einer Batterie mit einer höheren Bauform, zu verbessern. Dazu sind eine geeignete Durchmischungsvorrichtung und eine Flüssigelektrolytbatterie mit einer solchen Durchmischungsvorrichtung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit einer Durchmischungsvorrichtung nach Anspruch 1 und einer diese Durchmischungsvorrichtung aufweisende Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 8 gelöst.

Die Durchmischungsvorrichtung zum Durchmischen des Elektrolyten einer Flüssigelektrolytbatterie weist nachfolgende Merkmale auf:

Eine doppelwandige hohle Strömungskanalplatte und eine rechteckige Mischwanne, wobei die Mischwanne eine erste Mischwannenlängswand, eine dazu parallel und beabstandet liegende zweite Mischwannenlängswand, eine erste Mischwannenquerwand und eine Bodenplatte, die die Mischwanne nach unten abschließt, aufweist.

In der Bodenplatte oder in der ersten Mischwannenquerwand ist eine Öffnung vorgesehen, durch welche der Flüssigelektrolyt strömen kann. Die Strömungskanalplatte ist an der Mischwanne rechtwinklig zu der Bodenplatte befestigt und bildet somit eine zweite Mischwannenquerwand, die die Mischwanne abschließt.

Die hohle Strömungskanalplatte weist eine zur Mischwanne gerichtete Elektrolytaustrittsöffnung auf, die wenigstens 2 mm über dem Mischwannenboden liegt. An der ersten Mischwannenquerwand ist eine stegförmige Verlängerung vorgesehen, deren erstes Ende mit der Mischwanne verbunden ist und deren zweites Ende eine federelastische Arretiervorrichtung aufweist. Nachfolgend wird beschrieben, wie die vorstehend beschriebene Durchmischungsvorrichtung in eine Flüssigelektrolytbatterie eingesetzt wird und wie die Durchmischungsvorrichtung den Elektrolyten durchmischt:

Das Einsetzen der Durchmischungsvorrichtung in eine Flüssigelektrolytbatterie erfolgt durch Einschieben der Strömungskanalplatte in einen Spalt zwischen den Elektroden und der Batteriekastenwand. Wenn die Strömungskanalplatte ganz eingeschoben ist und somit deren unterer Endabschnitt sich in der Nähe des Batteriekastenbodens befindet, wird die Durchmischungsvorrichtung von der federelastischen Arretiervorrichtung gegen die Batteriekasteninnenwand gedrängt, was im Ausführungsbeispiel noch näher beschrieben wird.

Die federelastische Arretiervorrichtung ist wichtig, um die Strömungskanalplatte mit der daran befestigten Mischwanne in eine definierte Lage zu bringen und in dieser zu arretieren. Eine definierte Lage ist erforderlich, um immer optimale Strömungsverhältnisse zu gewährleisten. Die definierte Lage muss auch bei wechselnden Temperaturen und den damit verbundenen thermischen Ausdehnungen der Batteriematerialien beibehalten werden. Daher ermöglicht diese federelastische Arretiervorrichtung in Verbindung mit den anderen konstruktiven Merkmalen der Durchmischungsvorrichtung einen gleichbleibenden hohen Wirkungsgrad der Elektrolytdurchmischung.

Nach Anspruch 2 ist die federelastische Arretiervorrichtung eine Blattfeder mit einem ersten und einem zweiten Endabschnitt, wobei der erste Endabschnitt an der Verlängerung befestigt ist und der zweite Endabschnitt seitlich abgespreizt ist. Diese Blattfeder ist einfach herstellbar und somit kostengünstig. Sie ist gleichzeitig auch robust bezüglich ihrer Funktion.

Nach Anspruch 3 ist an dem zweiten Endabschnitt der Blattfeder wenigstens eine erste Befestigungskralle angeordnet. Die Befestigungskralle, die sich durch eine Ausnehmung in der Blattfeder ergibt, greift über den Rand des Batteriekastens. So wird eine noch bessere Lagefixierung der Durchmischungsvorrichtung im Batteriekasten erreicht.

Nach Anspruch 4 ist an der Oberkante der Strömungskanalplatte wenigstens eine zweite Befestigungskralle angeordnet. So wird eine weitere Verbesserung der Lagefixierung der Durchmischungsvorrichtung innerhalb des Batteriekastens erreicht, um optimale Strömungseigenschaften für den Elektrolyten zu erzeugen.

Nach Anspruch 5 weist die Strömungskanalplatte einen inneren Stützsteg auf, der sich längs und mittig entlang der Strömungskanalplatte erstreckt. Damit wird erreicht, dass sich der Querschnitt des schmalen Strömungskanals auch bei Temperaturschwankungen oder Materialalterung nicht verändert. Auch diese Maßnahme trägt dazu bei, dass die bezüglich der Strömungsverhältnisse optimierte Geometrie der Durchmischungsvorrichtung auch bei Temperaturschwankungen weitgehend konstant bleibt.

Nach Anspruch 6 sind wenigstens zwei der Durchmischungsvorrichtungen an den Mischwannenlängswänden mittels Foliengelenken miteinander verbunden. Mit dieser Maßnahme wird die Montage der Batterie rationalisiert, da ein Arbeiter oder ein Roboter wenigstens zwei dieser Durchmischungsvorrichtungen gleichzeitig in den Batteriekasten einstecken kann. Die Foliengelenke haben eine Doppelfunktion: Einerseits verbinden sie die Durchmischungsvorrichtungen zu einer Montageeinheit und andererseits sind sie flexibel, sodass die Durchmischungsvorrichtungen auch dann problemlos in die Batteriekästen eingesteckt werden können, wenn die Batteriekästen leichte geometrische Abweichungen haben.

Nach Anspruch 7 ist die Mischwanne abgestuft und weist einen ersten und einen zweiten Mischwannenboden auf. Diese Ausführungsform der Erfindung weist einen besonders hohen Wirkungsgrad der Durchmischung auf. In diesem Fall hat jeder Mischwannenboden eine eigene Öffnung. Nach Anspruch 8 wird eine Flüssigelektrolytbatterie mit wenigstens zwei Batteriezellen beansprucht, wobei jede der Batteriezellen eine Durchmischungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

Nachfolgend wird die Durchmischungsvorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht von drei miteinander

verbundenen Durchmischungsvorrichtungen.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht die drei Durchmischungsvorrichtungen nach Fig. 1 beim Einsetzen in einen Batteriekasten.

Fig. 3 zeigt in einer weiteren perspektivischen Ansicht drei Durchmischungsvorrichtungen im Detail.

Fig. 4 zeigt in einer weiteren perspektivischen Ansicht drei Durchmischungsvorrichtungen im Detail.

Fig. 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht drei Durchmischungswannen.

Fig. 6 zeigt in einer weiteren perspektivischen Ansicht drei Durchmischungswannen.

Fig. 7 zeigt in einer weiteren perspektivischen Ansicht drei Durchmischungswannen.

Fig. 8a zeigt in einer ersten perspektivischen Ansicht drei Strömungskanalplatten. Fig. 8b zeigt in einer zweiten perspektivischen Ansicht drei Strö- mungs-kanalplatten.

Fig. 8c zeigt in einer dritten perspektivischen Ansicht drei Strömungskanalplatten.

Fig. 9 zeigt in einer weiteren perspektivischer Ansicht drei Durchmischungswannen.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht von drei miteinander verbundenen Durchmischungsvorrichtungen 1 , die aus je zwei Teilen bestehen, aus einer Mischwanne 3 und einer Strömungskanalplatte 2. An der Mischwanne 3 ist eine stegförmige Verlängerung 11 vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um ein Spritzgussteil, sodass die Mischwanne 3 und die Verlängerung 11 in einem Arbeitsschritt hergestellt werden und materialmäßig eine Einheit bilden. Weitere Details werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt, wie die Einheit der drei miteinander verbundenen Durchmischungsvorrichtungen 1 in einen Batteriekasten 17 eingesetzt wird. Es ist zu betonen, dass zur besseren Übersichtlichkeit die Bleielektroden, die sich in jeder der 6 Batteriekastenzellen befinden, nicht eingezeichnet sind, da sie zur Erläuterung der Wirkung der Durchmischungsvorrichtungen nicht erforderlich sind. Da eine herkömmliche Starterbatterie eines PKW 6 Batteriezellen hat, sind somit zwei dieser Einheiten mit drei miteinander verbundenen Durchmischungsvorrichtungen 1 erforderlich. Es ist selbstverständlich, dass jede der 6 Batteriekastenzellen auch separat mit einer einzelnen Durchmischungsvorrichtung bestückt werden kann. Die Länge der Mischwanne 3 und die Länge der stegförmigen Verlängerung 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel näherungsweise gleich, können aber auch je nach Batterieform unterschiedlich sein. Die Fig. 3 zeigt Details, die für die optimale Funktion der Durchmischungsvorrichtung 1 erforderlich sind. Die Durchmischungsvorrichtung 1 wird wie in Fig. 2 gezeigt in den Batteriekasten 17 so eingesetzt, dass die Strömungskanalplatte 2 in den Spalt zwischen den Elektroden und der Batteriekasteninnenwand geschoben wird. Bevor jedoch die Strömungskanalplatte ganz eingeschoben ist, wird sie von einer federelastischen Arretiervorrichtung 12 gegen die Batteriekasteninnenwand gedrängt, wobei der höchste Anpressdruck erreicht ist, wenn die Strömungskanalplatte 2 vollständig eingeschoben ist. Dadurch wird die Strömungskanalplatte 2 mit der daran befestigten Mischwanne 3 in eine definierte Lage gebracht und auf Grund der Wirkung der federelastischen Arretiervorrichtung12 auch in dieser Lage gehalten. Diese definierte Lage gewährleistet die angestrebten optimalen Strömungsverhältnisse und somit eine optimale Durchmischung.

Die federelastische Arretierungsvorrichtung 12 kann unterschiedlich ausgebildet sein, sofern sie die vorstehend beschriebene Funktion erfüllt. In der Fig. 3 ist die federelastische Arretierungsvorrichtung 12 als Blattfeder ausgebildet. Eine Blattfeder ist leicht herstellbar, kostengünstig und zuverlässig bei der Montage, d. h. beim Einsetzen der Durchmischungsvorrichtung 1 in den Batteriekasten.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die als Blattfeder ausgebildete federelastische Arretierungsvorrichtung 12, die stegförmige Verlängerung 11 und die Mischwanne 3 nach einem Spritzgussverfahren zusammen einstückig gefertigt.

Die Fig. 4 zeigt die Unterseite einer Durchmischungsvorrichtung 1. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass der Mischwannenboden stufenförmig ausgebildet ist. Die Öffnungen 8a und 8b gewährleisten, dass die Elektrolytmenge, die beim Abbremsen oder Beschleunigen des Fahrzeugs aus der doppelwandigen Strömungskanalplatte 2 gedrückt wurde und in die

Mischwanne 3 geflossen ist, in den Batteriekasten zurückströmt. Weiterhin ist erkennbar, dass die als Blattfeder ausgebildete federelastische Arretie- rungsvorrichtung 12 einen ersten Endabschnitt 12a und einen zweiten Endabschnitt 12b hat, wobei der zweite Endabschnitt 12b der Blattfeder 12 eine hakenförmige Ausbildung aufweist, die als erste Befestigungskralle 13 bezeichnet wird. Ebenso sind an der Oberkante der Strömungskanalplatte 2 zweite Befestigungskrallen 14 vorgesehen, wie aus den Figuren 3, 4, 8a und 8b ersichtlich ist. Diese Befestigungskrallen 13, 14 greifen beim Einsetzen der Durchmischungsvorrichtung 1 gemäß Fig. 2 über den Rand des Batteriekastens 17 und fixieren die Durchmischungsvorrichtung 1 in einer definierten Lage.

Die Fig. 5 und 6 zeigen drei Mischwannen 3 ohne die ansteckbaren Strömungskanalplatten 2. Die Mischwannen 3 sind mit je zwei Foliengelenken 16 untereinander verbunden, wobei Fig. 6 deutlicher zeigt, dass die Mischwannen 3 voneinander beanstandet sind, sodass Spalte18 verbleiben, in welche die Zellentrennwände des in Figur 2 dargestellten Batteriekastens 17 passen. In Fig. 6 ist auch erkennbar, dass die Mischwannen 3 jeweils eine erste Mischwannenquerwand 6 aufweisen.

Die Fig. 7 zeigt die gleiche Ansicht wie Fig. 4, jedoch ohne die befestigten Strömungskanalplatten 2. In Fig. 7 ist erkennbar, dass die Mischwannen 3 jeweils einen ersten Mischwannenboden 7a und einen zweiten Mischwannenboden 7b aufweisen, wobei bezüglich des Elektrolytpegels der

Mischwannenboden 7a höher liegt als der Mischwannenboden 7b. Darüber hinaus ist in Fig. 7 veranschaulicht, dass ein erstes Ende 11a der stegförmi- gen Verlängerung 11 mit der Mischwanne 3 verbunden ist und ein zweites Ende 11 b der stegförmigen Verlängerung 11 die federelastische Arretiervorrichtung 12 aufweist.

Die Fig. 8a bis 8c zeigen jeweils drei einzelne doppelwandige hohle Strömungskanalplatten 2, wobei Fig. 8c zeigt, dass die beiden Wände der Strömungskanalplatten mittels eines Stützstegs 15 voneinander beanstandet gehalten werden. In Fig. 8a und 8c ist zudem verdeutlicht, dass jede der Strömungskanalplatten 2 jeweils als eine zweite Mischwannenquerwand 9 der entsprechenden Mischwanne 3 wirkt bzw. diese zweite Mischwannenquerwand 9 bildet. Zudem ist in Fig. 8a auch veranschaulicht, dass die Strömungskanalplatten 2 jeweils eine zur Mischwanne 3 gerichtete Elektrolytaustrittsöffnung 10 aufweisen.

Die Fig. 9 zeigt in Verbindung mit Fig. 8b Steckverbindungsvorrichtungen 19a, 19b, die ein einfaches Zusammenstecken der Mischwannen 3 mit den Strömungskanalplatten 2 ermöglichen. Weiterhin ist in Fig. 9 erkennbar, dass die Mischwannen 3 jeweils eine erste Mischwannenlängswand 4 und eine parallel und beabstandet zu dieser angeordnete zweite Mischwannenlängswand 5 aufweisen.

Bezugszeichenliste

1 Durchmischungsvorrichtung

2 doppelwandige hohle Strömungskanalplatte

3 Mischwanne

4 erste Mischwannenlängswand

5 zweite Mischwannenlängswand

6 erste Mischwannenquerwand

7a erster Mischwannenboden

7b zweiter Mischwannenboden

8a erste Öffnung

8b zweite Öffnung

9 zweite Mischwannenquerwand

10 Elektrolytaustrittsöffnung

11 stegförmige Verlängerung

11a erstes Ende der stegförmigen Verlängerung

11 b zweites Ende der stegförmigen Verlängerung

12 federelastische Arretiervorrichtung

12a erster Endabschnitt der federelastischen Arretiervorrichtung

12b zweiter Endabschnitt der federelastischen Arretiervorrichtung

13 erste Befestigungskralle

14 zweite Befestigungskralle

15 Stützsteg

16 Foliengelenke

17 Batteriekasten

18 Spalt für Zellentrennwand

19a, 19b Steckverbindungsvorrichtung