DE1232625B - Behaelter fuer eine Batterie aus einer Mehrzahl einzelner galvanischer Zellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

ALJLJk

DEUTSCHES mTWGsSSl· PATENTAMT

Int. Cl.:

AUSLEGESCHRIFT

HOIm

Deutsche Kl.: 21 b -

2 1 K 9

Nummer: 1 232 625

Aktenzeichen: U7543VIb/21b

Anmeldetag: 29. Oktober 1960

Auslegetag: 19. Januar 1967

Die Erfindung betrifft einen Behälter für eine Batterie aus einer Mehrzahl einzelner galvanischer Zellen. Dieser Behälter besteht aus einem starren Mantel, der gegen die Zellen isoliert ist, einer am Boden des Behälters abgestützten Feder, elektrischen Kontaktmitteln für die Zellen und einem Deckel, der am Mantel befestigt ist und die Zellen mit den elektrischen Kontaktmitteln unter einem von der Feder ausgeübten Druck in Kontakt bringt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß an entgegengesetzten Enden der Mehrzahl einzelner galvanischer Zellen je ein isolierender elastischer Puffer angeordnet ist und daß die elektrischen Kontaktmittel aus mindestens einem am Puffer angeordneten leitenden Streifen bestehen, der an der der Feder abgewandten Seite des Puffers angebracht ist. Der isolierende elastische Puffer besteht vorzugsweise aus plastischem Werkstoff auf der Basis eines PoIyvinylhalogenids oder Polyäthylen oder aus Pappe.

Behälter nach der Erfindung eignen sich besonders ao für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen. Sie sind auch bei diesen Temperaturen stoß- und erschütterungssicher und bedürfen keiner Vergußmasse.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 eine schaubildliche Ansicht einer Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fi g. 2 eine auseinandergezogene Ansicht der Teile einer Ausführungsform der Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 3 eine Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer abweichenden Ausführung einzelner galvanischer Zellen.

Die galvanische Vielzellenbatterie weist einen starren Behälter mit einem Boden und einem Oberteil auf. In dem Behälter ist eine Mehrzahl oder Vielzahl einzelner galvanischer Zellen zweckentsprechend angeordnet. Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung vorgesehen, die aus mindestens einem leitfähigen Streifen und einem nachgiebigen, elastischen, isolierenden Puffer besteht, wobei der leitfähige Streifen mindestens einige der Elektroden der einzelnen galvanischen Zellen lediglich mit Hilfe von mechanischem Druck miteinander verbindet und ferner mindestens ein Federmittel entweder an dem Oberteil oder dem Boden des Behälters abgestützt ist, um die betreffenden Zellen in innige Gemeinschaft mit dem zugehörigen leitfähigen Streifen zu zwingen. Der Oberteil und der Boden des Behälters dienen ferner dazu, die Federmittel unter Druck zu halten, um hierdurch Behälter für eine Batterie aus einer Mehrzahl
einzelner galvanischer Zellen

Anmelder:

Union Carbide Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:

Woldemar Charles, North Olmsted, Ohio;

James Kay Parkey, Cleveland, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1959 (849 870)

einen guten körperlichen und elektrischen Kontakt zwischen dem leitenden Streifen und den Zellen zu gewährleisten.

Aus den F i g. 1 und 2 der Zeichnung geht im einzelnen eine Batterie nach der neuen Erfindung hervor, die einen starren Behälter 10 mit einem Boden 12 und einem Oberteil 14, Feder 16, einzelne galva- : nische Zellen 18, eine Isolation 20 zwischen jeder Zelle 18 und zwischen den Zellen und dem Behälter 10, ferner drei Streifen 21, 22, 23 aus leitendem Material, die die Elektroden 24 und 26 der einzelnen Zellen 18 elektrisch miteinander verbinden, sowie elastische, isolierende, nachgiebige Puffer 27 und 28 aufweist, die die leitenden Streifen 21 bzw. 22 bzw. 23 abstützen. Diese Puffer 27 und 28 dienen außerdem der elektrischen Isolierung der Elektroden. Die Schraubenfederanschlüsse 29 und 30, die den Oberteil 14 durchgreifen, gestatten, einen äußeren Kontakt für die Batterie herzustellen.

F i g. 3 zeigt eine Batterie aus einer Anzahl von Stapeln 40 aus flachen Zellen 42, wobei jeder Stapel selbst aus einer Mehrzahl einzelner flacher Zellen besteht. In zusammengebautem Zustand kann eine solche Batterie aus flachen Zellen einer Batterie aus zylindrischen Zellen gemäß der F i g. 1 sehr ähneln. Die Feder 44 hat eine abweichende Gestalt oder Umriß, in erster Linie, um einen Druck auf beide Zellstapel zu gewährleisten. Die einzelnen Zellen 42 lassen sich in jedem Stapel 40 in Reihen-, Parallel-

oder Reihen-Parallel-Anordnung schalten, und die Stapel 40 können ihrerseits in Reihen-, Parallel- oder Reihen-Parallel-Anordnung geschaltet sein. Sonach könnten die einzelnen Zellen 42 in Reihe geschaltet sein, um einen Stapel 40 zu bilden, der eine hohe Spannung hat und einen verhältnismäßig niedrigen Strom abgibt, und eine Anzahl von Stapeln 40 läßt sich parallel schalten, um die Stromabgabe bei dieser hohen Spannung zu steigern.

Diese zusammengebaute Batterie aus Zellen weist einen Boden 46 und ein Oberteil 48, Feder 44, Stapel 40 aus einzelnen galvanischen Zellen 42 sowie Endplatten 49, 50, 51 und 52 an jedem Ende jedes Zellenstapels auf; ferner ist ein Streifen 54 aus leitendem Material vorgesehen, der die Endplatten 51 und 52 elektrisch miteinander verbindet, außerdem ein elastischer, isolierender, nachgiebiger Puffer 56, der den leitenden Streifen 54 abstützt, sodann isolierende Puffer 57 und 58 zwischen den Endplatten 49 und 50 und dem Oberteil 48. Kontaktniete 59 und 60 reichen von den Endplatten 49 und 50 durch die isolierenden Puffer 57 und 58 sowie durch den Oberteil 48 hindurch; außerdem sind Kontakte 61 und 62 außen nahe dem Oberteil 48 an den Kontaktnieten 59 und 60 angebracht. Ein nicht veranschaulichter _a5 starrer Behälter, ähnlich demjenigen in F i g. 2, dient dem Zusammenhalten aller Batterieteile.

Irgendein Typ einer flachen Zelle oder einer zylindrischen Zelle eignet sich für die vorliegende Erfindung, die weder auf das verwendete Zellensystem, sei es primär oder sekundär, noch auf einzelne galvanische Zellen irgendeiner speziellen Größe beschränkt ist.

Ein wichtiges Merkmal der neuen Erfindung ist der leitende Streifen, der zur Kontaktverbindung der betreffenden Elektroden der einzelnen Zellen sowie zum elektrischen Anschließen der Batterie verwendet wird. Der leitende Streifen sollte in zweckentsprechender Weise, z. B. durch Beschichtung, z. B. Aufwalzen, auf einen entsprechenden nachgiebigen, elastischen, isolierenden Puffer angeschlossen werden. Diese Anordnung sollte genügend weich sein, daß sie von den Elektroden eingedrückt werden kann, um auf diese Weise guten Kontakt zu gewährleisten, andererseits aber zäh genug, um von diesen Elektroden nicht durchgeschnitten oder unter dem Druck der Feder nicht ,ausgebeult werden zu können. In einigen Fällen kann es, wo die Federausbildung derart ist, daß für den nachgiebigen Puffer eine vollständige Abstützung nicht zur Verfügung steht, ein Ausweg sein, entweder den nachgiebigen Puffer durch einen starren mit nachgiebiger Oberfläche zu ersetzen oder einen zusätzlichen starren Puffer zwischen der Feder und den nachgiebigen Puffer einzufügen. Wünschenswert, aber nicht wesentlich ist, daß der Werkstoff für den leitenden Streifen so gewählt wird, daß die mögliche Bildung eines Bimetallpaares vermieden wird, wenn Feuchtigkeit vorhanden ist. Aus diesem Grund ist vorzuziehen, daß sich der Werkstoff für den leitenden Streifen mit dem Werkstoff der Elektrode verträgt. Es wurde gefunden, daß sich ein guter mechanischer Druckkontakt durch Verwendung eines leitenden Streifens aus Metallfolie, wie z. B. Zinn, Zink, Aluminium, Kadmium, Kupfer, Messing, Blei und Silber, erzielen läßt. Mit leitenden Teilchen, wie z. B. Kohlenstoff oder Metall beschichteter plastischer Film ist gleichfalls verwendbar. Leitende Streifen von 0,025 bis 0,127 mm Dicke fanden Anwendung und erwiesen sich als brauchbar. Selbstverständlich ist die Dicke des leitenden Streifens eine Funktion des elektrischen Widerstandes des speziellen Streifenwerkstoffs und der vom Streifen übernommenen Strommenge. Eine übliche Beschichtung aus einem Korrosionsinhibitor, wie z. B. halbfesten Erdölrückständen, läßt sich auf die Metallteile der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Batterie aufbringen, wenn dies durch die atmosphärischen Bedingungen geboten ist, unter denen die Batterie gelagert und gebraucht wird.

Der isolierende Puffer läßt sich aus Polyvinylhalogenid oder Polyäthylen oder aus Pappe herstellen. Es kann wünschenswert oder notwendig sein, an jedem Puffer mehr als einen leitenden Streifen vorzusehen, sowie statt dessen oder daneben mehr als einen Puffer pro Vielzellenbatterie. Es kann erforderlich sein, den isolierenden Puffer im Falle einer Batterie aus einer Anzahl von Stapeln abzuwandeln, von denen jeder eine Mehrzahl oder Vielzahl einzelner galvanischer Zellen enthält. Obwohl in jedem Stapel dieselbe Anzahl aus flachen Zellen vorhanden sein kann, kann die Gesamthöhe von irgendeinem Stapel von derjenigen irgendeines anderen Stapels wegen der möglichen Schwankung der Dicke jeder flachen Zelle verschieden sein, und weil jede flache Zelle selbst in einem gewissen Ausmaß zusammendrückbar ist. In diesen Fällen kann ein Hilfsmittel sein, den leitenden Streifen und den isolierenden Puffer als biegsames Blatt vorzusehen, um die Höhenschwankung in den Stapeln zu berücksichtigen. Teilweise kann es auch gut in Betracht kommen, mehr als einen isolierenden Puffer einzubauen, wobei jeder jeweils jedem Zellstapel benachbart ist. In ähnlicher Weise ist es möglich, Puffer unterschiedlicher Dicke zu verwenden, um Ungleichförmigkeiten der Höhe der Zellstapel auszugleichen.

Die obenerwähnten Federn können eine Schraubenfeder oder ein Streifen aus passend gebogenem Federmetall, vorzugsweise Federstahl, sein. Sie können die Form einer sinusförmigen oder ähnlichen Kurve haben, wo die ausgeübte Kraft in einer solchen Richtung liegt, daß die Batterieteile richtig miteinander verbunden werden. Wahlweise kann die Feder aus Gummi bestehen. Bei der Festlegung der speziellen Form der Feder und des speziellen Werkstoffs, aus dem sie bestehen, sollte den klimatischen Bedingungen Rechnung getragen werden, unter denen die Batterie gespeichert oder betrieben werden soll. Ohne Rücksicht auf die spezielle Ausführung der Feder oder den für sie verwendeten Werkstoff sollten sie zweckmäßigerweise den Umrißlinien des Behälters angepaßt und sowohl gegen diesen als auch den Oberteil oder den Boden abgestützt sein. Gemäß der Erfindung können ferner mehr als eine Feder in derselben Batterie vorgesehen sein. Ohne Rücksicht auf die Anzahl der verwendeten Federn ist es jedoch wichtig, daß ein praktisch gleichmäßiger Druck gegen im wesentlichen alle leitenden Streifen und isolierenden Puffer ausgeübt wird. Die Feder sollte daher vorzugsweise praktisch in demjenigen Abschnitt flach sein, der sich in der Nachbarschaft des Streifens befindet.

Da alle Zellen sowie die leitenden Streifen der hierin beschriebenen galvanischen Vielzellenbatterie zweckentsprechend isoliert sind, ist es möglich, einen metallischen Behälter zu verwenden, um die Starrheit desselben ausnutzen zu können. Es ist hierbei sehr

wichtig, daß der Behälter starr ist, damit sich die Feder gegen etwas abstützen kann, wenn sie unter Druckbelastung steht. Obwohl sich Metalle im allgemeinen für den Behälterwerkstoff wegen ihrer hervorragenden Starrheit oder Steifigkeit aufs beste eignen, ist es in manchen Fällen praktisch, einige der steiferen oder starreren Nichtmetalle, wie z. B. künstliche Harze, zu verwenden. Der Behälter muß indessen mindestens so stoß- und erschütterungs- oder schwingungsfest sein, wie es der übrige Teil der Batterie ist.

Der Behälter kann als Hülse mit einem passend anoder eingesetzten und angebrachten Oberteil und Boden sein. Wahlweise kann der Behälter in einschlägig bekannter Weise tiefgezogen oder so geformt sein, daß er einen becherförmigen Gegenstand bildet, an den ein Oberteil passend angesetzt werden kann. Der Oberteil muß die Feder in den zusammengepreßten Zustand drücken und in diesem halten, um zwischen den leitenden Streifen und den Elektroden der einzelnen Zellen oder flachen Stapelendplatten guten Kontakt zu gewährleisten. Ein Vorteil dieser Ausbildungsart ist im Fall einer Batterie aus flachen Zellen, daß die Notwendigkeit zum Zusammenbinden des Stapels entfällt, so daß sich diese Zellen leichter zu einer Batterie zusammensetzen lassen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den folgenden Beispielen.

Beispiel 1

Eine 6-Volt-Batterie für Beleuchtungszwecke bestand aus den folgenden Teilen: eine rechtwinklige Hülse, etwa 10 cm lang und etwa 6,5 cm Kantenlänge, quadratischen Querschnitts, mit abgerundeten Ecken und Kanten und einem fest angebrachten Boden und Deckel, ein gekrümmtes Teil aus Federstahl nahe dem Boden, ein Blatt Pappe von reichlich 1 mm Dicke als Puffer auf der Feder, zwei praktisch parallele Streifen aus Zinkfolie, jeder etwa 1,3 cm breit und auf die Außenseite der Pappe gegenüber der Feder aufgeschichtet, z. B. aufgewalzt, wobei die Pappe die Streifen gegeneinander, den Behälter und die Feder isoliert, vier übliche zylindrische Zellen, jede mit einem isolierenden Papprohr, abwechselnd räumlich so angeordnet, daß der positive Pol einer Zelle und der negative Pol einer benachbarten Zelle denselben leitenden Streifen kontaktbildend berühren, eine zweite Papptafel als Puffer, reichlich 1 mm dick, mit einem einzelnen Streifen aus Zinkfolie annähernd 0,08 mm dick, der nahe der Oberseite des Mantels dort aufgeschichtet, z. B. aufgewalzt, ist, wobei der Streifen praktisch rechtwinklig zu den beiden anderen, obenerwähnten Streifen verläuft und die entgegengesetzten Elektroden von zwei der Zellen miteinander verbindet, um hierdurch alle vier Zellen in Reihe zu schalten, sowie zwei Schraubenfederanschlüsse, einen von jedem Ende der Batterie, die sich durch den Oberteil nach außen erstrecken.

Beispiel 2

Eine 45-Volt-Batterie aus flachen Zellen wies die folgenden Teile auf: eine rechtwinklige Hülse von etwa 9,2 cm Länge, 6,7 cm Breite und 2,5 cm Tiefe, mit abgerundeten Kanten und Ecken, mit fest angebrachtem Oberteil und Boden, ein gebogenes Stück Federstahl nahe dem Boden und mit zwei sich abstützenden Oberflächen, eine asphaltimprägnierte Pappplatte als Puffer, 1 mm dick, die auf der Feder ruht, einen Streifen Zinkfolie, etwa 1,3 cm breit, die an der Außenseite der Pappe gegenüber der Feder aufgeschichtet, z. B. aufgewalzt, ist, wobei die Platte den Streifen gegen die Feder und gegen den Behälter isoliert, ferner zwei Stapel üblicher flacher Zellen, von denen jeder fünfzehn einzelne Zellen in Reihenschaltung enthält, in Kontakt mit dem Streifen über Endplatten, und außerdem zwei Anschlüsse durch

ίο den Oberteil hindurch in Kontakt mit Endplatten nahe den Enden jeweils von jedem der Stapel aus flachen Zellen.

Bei der beschriebenen Batterie entfällt die Notwendigkeit von gelöteten Verbindungen zwischen den Zellen. Dies beseitigt eine kostspielige Zusammenbaumaßnahme für diesen Batterietyp, was ihn wirtschaftlich macht.

Batterien mit Behälter gemäß der vorliegenden Erfindung wurden ebenso wie herkömmliche Batterien Vergleichsversuchen unterworfen. Die Versuche umfaßten eine Erschütterungsprüfung, bei der eine Batterie drei wechselseitig senkrechten einfachen harmonischen Bewegungen unterworfen wurde, von denen jede eine Amplitude von etwa 0,8 mm bei einer gegebenen Frequenz im Bereich von 10 bis 55 Hertz hatte. Gemäß den Versuchsbedingungen beginnt die Frequenz an der unteren Grenze und ändert sich mit 1 Hertz pro Sekunde stufenweise zum Höchstwert und dann wieder zurück zum Mindestwert, insgesamt etwa 90 bis 100 Minuten lang. Bei der Prüfung stand immer eine Erschütterungsrichtung senkrecht zur Anschlußaußenfläche oder Oberteil der Batterie.

Eine weitere Prüfung bestand darin, die Batterien einem etwa 1072 cm freien Fall zu unterwerfen, der in einem plötzlichen Halt endete. Jede Batterie wurde zweitausend solcher »Fälle« bei Raumtemperatur unterworfen und dann auf 0° C gekühlt, worauf weitere 2000 Fälle durchgeführt wurden, während welcher Zeit die Batterietemperatur von 0° C auf Raumtemperatur anstieg.

Die unten gebrachte Tabelle ist eine Zusammenstellung der aus den obenerwähnten Versuchen stammenden Daten:

Versuch

Fall

Erschütterung

Herkömmliche
Batterien

Anzahl
geprüft

15 15

Anzahl
versagt

7 3

Batterien
nach der Erfindung

Anzahl
geprüft

45
27

Anzahl
versagt

Die obige Tabelle zeigt, daß die Batterien gemäß der vorliegenden Erfindung unter den Bedingungen starker Erschütterung und Stoßes einwandfrei arbeiteten, während herkömmlich hergestellte Batterien unter denselben Bedingungen ernste Schaden oder Beeinträchtigungen erlitten.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Behälter für eine Batterie aus einer Mehrzahl einzelner galvanischer Zellen, bestehend aus einem starren Mantel, der gegen die Zellen isoliert ist, einer am Boden des Behälters abgestützten Feder, elektrischen Kontaktmitteln für die Zellen und einem Deckel, der am Mantel befestigt ist und die Zellen mit den elektrischen Kontaktmitteln unter einem von der Feder aus-

geübten Druck in Kontakt bringt, dadurch gekennzeichnet, daß an entgegengesetzten Enden der Mehrzahl einzelner galvanischer Zellen (18, 42) je ein isolierender, elastischer Puffer (27, 28, 56, 57, 58) angeordnet ist und daß die elektrischen Kontaktmittel aus mindestens einem am Puffer angeordneten leitenden Streifen (21,22, 23, 54) bestehen, der an der der Feder (16, 44) abgewandten Seite des Puffers angebracht ist.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Puffer (27, 28, 56) aus plastischem Werkstoff auf der Basis von Polyvinylhalogenid oder Polyäthylen oder aus Pappe besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 579 157;
britische Patentschrift Nr. 768 449.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen